基于MSP430的四旋翼飛行器的S—BUS通信協(xié)議的設計與實現(xiàn)

張雨辰 孫琛 林奎 秦生輝

【摘 要】四旋翼飛行器在軍事領域和生產運營監(jiān)管領域有著廣闊的應用前景。此外，四旋翼還可應用在政府應急指揮領域和公共安全領域，在處置大規(guī)模群體性事件或跟蹤以及偵查活動時，啟動飛行器可及時準確監(jiān)控現(xiàn)場情況。

【Abstract】The four rotor aircraft has broad application prospects in military field and production operation supervision area. In addition， the four rotor can also be used in the field of government emergency command and public security. When dealing with large-scale mass incidents or tracking and detection activities， launching the aircraft can monitor the scene timely and accurately.

【關鍵詞】四旋翼；msp430；S-BUS

【Keywords】four rotor； msp430； S-BUS

【中圖分類號】V249.1 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）04-0187-02

1 引言

四旋翼機器人是一種靈巧的、電動的、可以垂直起降的，能夠遙控或自主飛行并執(zhí)行任務的一種空中機器人。四旋翼機器人具有4個螺旋槳并呈十字形交叉結構，相隔的螺旋槳為一組，兩組的旋轉方向不同，相鄰兩個螺旋槳旋轉方向不同來抵消水平反扭力矩，保證自身不發(fā)生自旋。與其它空中機器人相比，其靈活性體現(xiàn)在只通過改變螺旋槳的速度就可以執(zhí)行飛行任務。

本課題采用msp430g2553作為主要控制系統(tǒng)，通過使用C語言編寫程序，使用S-BUS協(xié)議實現(xiàn)對飛機的通信。選用msp430微控制器作為控制系統(tǒng)是因為該系列控制器已經(jīng)廣泛用于家用電器和工業(yè)控制之中，而且價格便宜，易于購買和自主設計。微控制器系統(tǒng)降低了外圍硬件設備的投資，省去了遙控器等設備的麻煩，無論是日常生活還是工業(yè)生產也都會隨之更加的方便。

2 S-BUS概況

Futaba S-BUS通信協(xié)議是一種用來控制舵機的串口通信協(xié)議。最多可以包含16個舵機的數(shù)據(jù)，它是由經(jīng)典的RS232串口通信協(xié)議發(fā)展過來的，邏輯取反。它的長度為25字節(jié)，每字節(jié)包括1位起始位0，8位數(shù)據(jù)位，1位奇偶校驗位（若8為數(shù)據(jù)位中有奇數(shù)個1，則奇偶校驗位取1，若有偶數(shù)個1則奇偶校驗位取0），2位結束位11。信號周期為14毫秒，其中前3毫秒是數(shù)據(jù)，后11毫秒是延時，置低電平。用來發(fā)送數(shù)據(jù)的3毫秒中，共發(fā)送25*（1+8+1+2）=300位數(shù)據(jù)，也就是說，每位數(shù)據(jù)（高或低電平）持續(xù)10微秒的時間。

該協(xié)議有25個字節(jié)。其中第一個字節(jié)是起始字節(jié)，然后是22個包含數(shù)據(jù)的字節(jié)，最后是一個標志字節(jié)和結束字節(jié)。起始字節(jié)中的8位數(shù)據(jù)位為11110000b，即完整起始字節(jié)為011110000011b。標志字節(jié)可根據(jù)不同飛控自行設定，用于承載除了舵機數(shù)據(jù)以外的數(shù)據(jù)。結束字節(jié)中的數(shù)據(jù)位為00000000b。

協(xié)議中有22個包含數(shù)據(jù)的字節(jié)，每個字節(jié)數(shù)據(jù)位為8位，22*8=16*11，也就是說每個舵機的數(shù)據(jù)長度為11位。實際傳輸時需要把16個舵機數(shù)據(jù)填入22個包含數(shù)據(jù)的字節(jié)中，填入方式為第一個字節(jié)的8位和第二個字節(jié)的前3位為第一舵機，其中第一字節(jié)8位中的最高位為舵機的最低位，第二字節(jié)的從最高位數(shù)第三位為舵機的最高位。第二個字節(jié)的后5位和第三個字節(jié)的前6位為第二舵機，以此類推。

3 S-BUS在MSP430中的實現(xiàn)

程序主要由發(fā)送數(shù)據(jù)和接受數(shù)據(jù)2個模塊組成。流程如下所示：

3.1 發(fā)送數(shù)據(jù)

MSP430單片機不能對字節(jié)進行操作，因此將待發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的每一位依次和要使用的I/O口進行與操作，從而實現(xiàn)信號的發(fā)送與接收。具體做法是根據(jù)配置的波特率，使用時鐘定時改變管腳電平的高低，達到發(fā)送二進制數(shù)據(jù)的目的。因為S-BUS的邏輯電平是反的，所以高電平為0，低電平為1。

發(fā)送數(shù)據(jù)時，程序首先發(fā)送一個起始字節(jié)0xF0，然后按S-BUS的規(guī)則將每個通道拆分成各個數(shù)據(jù)字節(jié)（在本文使用的程序中通過改變I＼O口的電平模擬數(shù)據(jù)位的發(fā)送）。發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)流程如下：

程序首先發(fā)送一個起始位（高電平），然后將通道1的低8位放到第一個數(shù)據(jù)字節(jié)，將通道1的高3位放到第二個數(shù)據(jù)字節(jié)的低3位，以此類推計算出每個數(shù)據(jù)字節(jié)并發(fā)送。當每一個數(shù)據(jù)字節(jié)中的數(shù)據(jù)位發(fā)送完后，計算偶校驗位并發(fā)送，最后發(fā)送停止位（低電平）。之后程序繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)字節(jié)，直到22個數(shù)據(jù)字節(jié)發(fā)送完成。

數(shù)據(jù)字節(jié)全部發(fā)送完成后，程序將發(fā)送標志字節(jié)flags，最后發(fā)送結束字節(jié)0x00。flags的內容為：flags = bit7 = ch17 = digital channel （0x80）

bit6 = ch18 = digital channel （0x40）

bit5 = Frame lost， equivalent red LED on receiver （0x20）

bit4 = failsafe activated （0x10）

bit3 = n/a

bit2 = n/a

bit1 = n/a

bit0 = n/a

3.2 接收數(shù)據(jù)

接收數(shù)據(jù)時，程序先收到一個起始字節(jié)，據(jù)此判斷新的一幀開始。然后將收到的22個數(shù)據(jù)字節(jié)解析出來。一種方法是，根據(jù)發(fā)送時的計算方式，反過來將每個字節(jié)通過左移或右移運算之后，相應位上按位與1，達到解析的目的。由于通道數(shù)較少，故可以用這樣一種較為取巧的方式。如果偶校驗位錯誤，則請求重新發(fā)送這一字節(jié)。之后將解析出的16個通道的數(shù)據(jù)傳遞給飛控，查看標志位的內容，最后接收到結束字節(jié)，一幀結束，等待接收下一幀。

以第一、第二個通道為例，當接收到第一個和第二個數(shù)據(jù)字節(jié)時，將第一個數(shù)據(jù)字節(jié)右移3位后，按位與00011111111，將結果存入buffer_1，第二個數(shù)據(jù)字節(jié)左移8位后，按位與11100000000，將結果存入buffer_2，再讓buffer_1按位與buffer_2即可得到第一個通道的數(shù)據(jù)。同理，將第二個數(shù)據(jù)字節(jié)右移6位后，按位與00000011111，將結果存入buffer_3，第三個數(shù)據(jù)字節(jié)左移2位后，按位與11111100000，將結果存入buffer_4，再讓buffer_3按位與buffer_4即可得到第二個通道的數(shù)據(jù)。

4 結語

本文對S-BUS協(xié)議的環(huán)境設置以及具體的數(shù)據(jù)結構進行了說明，并給出了S-BUS在MSP430上的實現(xiàn)。本系統(tǒng)進一步完善的話，可以將解析通道的部分用一個更好的算法替代本文的移位算法。可以看到S-BUS是一種簡單的四旋翼通信協(xié)議，同時16個通道也較好地滿足了四旋翼飛行器對信號傳輸?shù)男枨蟆?/p>