基于嵌入式的地面控制裝置的設計

韋啟 李爭平 黃明 仵松頎

摘 要：地面控制裝置主要運用UDP作為通信協議，系統(tǒng)軟件的基本功能包括軟件上電自檢與遠程控制自檢、數據采集與上傳、遠程命令接收與處理及繼電器控制。文中對系統(tǒng)各功能模塊的設計思想做了簡要闡述，并給出時序圖與流程圖、軟件測試方法、實驗記錄及結果分析。

關鍵詞：地面控制裝置;UDP通信;上電自檢;遠程控制;時序圖;流程圖

中圖分類號：TP277文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）03-00-04

0 引 言

近年來，隨著國家航空航天研究的深入，無人機悄然興起，主要應用于一些惡劣環(huán)境的探索及長時間實時數據的收集。無人機執(zhí)行的是長時間惡劣環(huán)境下的數據采集任務，同時需要與地面站之間能夠有大規(guī)模數據交互，且對數據采集的精度要求極高。基于此，本文主要通過Keil4環(huán)境開發(fā)基于嵌入式的無人機地面控制裝置，實現無人機遠距離數據采集與實時控制。嵌入式系統(tǒng)是一種以控制、監(jiān)控或輔助各種操作機器與設備為目的的裝置，是運用計算機技術，圍繞應用需求，對軟件、硬件進行相應裁剪，使功能、成本、體積、功耗以及可靠性等都能適應相應要求的專用計算機系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)設計與實現

1.1 通信協議設計

在嵌入式領域有多種通信協議可供選擇。由于嵌入式終端實現了網絡通信，故可考慮通過以太網的TCP/IP或UDP協議實現系統(tǒng)與上位機的通信，現就這兩種協議的異同進行討論，以選擇更適合本文系統(tǒng)的協議。

1.1.1 TCP/IP協議

傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）是基于連接的協議[2]，即在正式收發(fā)數據前，須與對方建立可靠連接。一個TCP連接必須經過3次“對話”才能建立起來，3次“對話”的目的是使數據包的發(fā)送與接收同步，經過3次“對話”后，兩個主機才能正式發(fā)送數據。

1.1.2 UDP協議

用戶數據報協議（User Data Protocol，UDP）是與TCP相對應的協議。它是面向非連接的協議，不與對方建立連接，而直接把數據包發(fā)送過去。

1.1.3 二者差異

由于TCP/IP協議是面向協議的通信，因此需要兩個設備之間建立連接，且TCP/IP管發(fā)管到，安全性更高。而UDP協議是面向非協議的通信，可用于組播發(fā)送，只需組播地址并加入組播就可收到廣播，實時性更強。

綜上所述，只需使系統(tǒng)將采集到的數據發(fā)送到上位機即可，且鑒于對數據采集的實時性要求較高，因此本文采用UDP協議進行通信。

1.2 系統(tǒng)架構設計

針對本文系統(tǒng)性能要求，選擇STM32F407ZGT作為系統(tǒng)核心處理模塊，內核為Cortex-M4[3]。STM32F407ZGT核心板ADC為12位，最多可采集24通道數據，滿足設計要求。此核心板還支持10/100 Ethernet MAC以太網通信，可工作在-40～105 ℃環(huán)境下。

根據設計需求，系統(tǒng)采用中斷與時間片輪詢軟件架構，可保證系統(tǒng)數據采集與控制的實時性。系統(tǒng)軟件的基本功能包括軟件上電自檢與遠程控制自檢、數據采集與上傳、遠程命令接收與處理、繼電器控制。軟件執(zhí)行的基本時序是：系統(tǒng)開機后進行設備自檢與系統(tǒng)自檢，自檢通過后進入中斷監(jiān)聽程序，待發(fā)生中斷后做出相應動作，執(zhí)行過程中進行系統(tǒng)自檢，隨時上報自檢結果。系統(tǒng)結構如圖1所示，軟件執(zhí)行時序如圖2所示。

主線程偽代碼如下：

sysInit（）;//系統(tǒng)初始化

GPIO_ResetBits（GPIOB，GPIO_Pin_13）;

//自檢開始，點亮黃燈

powerSelfCheck（）;//電源自檢

controlSelfCheck（）;//控制自檢

networkSelfCheck（）;//網絡自檢

GPIO_SetBits（GPIOB，GPIO_Pin_13）;//自檢結束黃燈滅

Set_IP4_ADDR（&ipMultiCast，UDP_MC_REMOTE_IP）;

//遠端IP

while（1）//主循環(huán)

軟件上電自檢流程如圖3所示。

軟件上電自檢過程中，狀態(tài)指示燈紅閃;自檢結束并異常，狀態(tài)指示燈紅色常亮;自檢結束并正常，狀態(tài)指示燈綠色常亮。

由于通過ADC采集到的數據為十六進制數，因此需要經過與參數做運算實現數值轉換，以便進行判斷比較。

網口遠程控制自檢過程可獨立控制不同繼電器控制電路的自檢。第1，2，4路自檢與上電自檢流程相同;第3路自檢需要在遠程控制開關閉合狀態(tài)下完成，具體流程如圖4所示。

基于定時中斷的采樣過程采用周期定時中斷方式進行[4]，每次采樣完成所有24通道ADC采樣過程，將采樣結果上報上位機。

基于程序控制采樣過程可以命令采集不同通道的樣值上報，每次采集一個通道的樣值。

程序設置看門狗計數器，當程序出現異常時控制程序自動重啟。

系統(tǒng)中主要采用定時中斷、網口通信中斷，網口通信中斷優(yōu)先于定時中斷。

系統(tǒng)采用定時向上位機發(fā)送采樣值的方式報告地面控制裝置的狀態(tài)。若超時未發(fā)送采樣值，則說明地面控制裝置異常。同時，每次上報采樣值后，上位機需應答確認。若地面控制裝置接收上位機應答確認超時，則控制狀態(tài)指示燈黃色常亮。

1.3 網絡模塊軟件設計

網絡模塊選擇以太網接口芯片DP83848，DP83848支持IEEE 802.3u以太網協議，且可工作在-40～125 ℃環(huán)境下，既能滿足網絡通信需求，又能工作于惡劣環(huán)境。為了使主控板能夠對DP83848進行正確讀寫，并使DP83848處于激活狀態(tài)，以便指令數據收發(fā)，需要對網卡進行初始化[5]。

網絡初始化流程如圖5所示。在網絡初始化過程中，若出現異常則狀態(tài)指示燈黃閃。

1.4 與上位機通信過程設計

地面控制裝置與上位機通信包括控制命令與采樣上報兩種信息。控制命令執(zhí)行時序如圖6所示，采樣上報執(zhí)行時序如圖7所示。

1.5 系統(tǒng)軟件與上位機指令協議說明

通信協議具體要求如下：

（1）使用UDP協議。1號裝置IP地址為192.168.70.11，組播地址為224.0.10.1，端口號為0x8001;2號裝置IP地址為192.168.70.12，組播地址為224.0.10.2，端口號為0x8002。

（2）收到的上位機發(fā)控指令幀格式與向上位機上報的發(fā)控數據幀格式見表1、表2所列。

①動作序號代碼中0000H代表動作開關1;00FFH代表動作開關2;0F0FH代表動作開關3;3333H代表動作開關4;FFFFH代表動作開關5。

②動作指令代碼中0000H代表撤銷繼電器控制電壓;FFFFH代表添加繼電器控制電壓。

③動作持續(xù)時間0000H代表接收到此命令后立刻執(zhí)行，直至收到下一個同動作序號代碼的指令;其余代表收到此命令后立刻執(zhí)行，直至收到下一個同動作序號代碼的指令或持續(xù)到本條指令中動作持續(xù)時間結束（實際動作持續(xù)時間=指令中動作持續(xù)時間×1 ms）。

①發(fā)控數據幀10 ms上報一次。

②當收到發(fā)控指令后，下一幀發(fā)控數據幀中發(fā)控指令回令部分填寫收到指令4～9 B的內容，未收到指令時發(fā)控指令回令部分填寫55555555H。

③每條發(fā)控指令發(fā)送3次，2次間隔10 ms，要求在收到1條發(fā)控指令后50 ms內回復，但不響應相同的指令。

④幀計數在第一幀上報時填寫00000001H，往后每幀加1H。

2 系統(tǒng)軟件測試

軟件測試主要采用白盒測試的方式，包括功能測試與性能測試。

功能測試主要對每條控制指令執(zhí)行情況進行測試，包括繼電器控制指令測試、采集信號控制指令測試與系統(tǒng)自檢控制指令測試。

性能測試包括指令響應時間測試與壓力測試，模擬實際控制場景進行壓力測試，統(tǒng)計遠程控制命令的響應時間。

首先進行指令測試，給設備通電，然后使用上位機向設備發(fā)送命令，讀取設備采集到的數據，并將數據發(fā)送到上位機上，同時寫入文件，再用示波器對測試結果進行檢驗。

上位機發(fā)送指令采集數據界面如圖8所示。利用上位機發(fā)送命令，使繼電器1，2，4，5處于打開狀態(tài)，繼電器3處于關閉狀態(tài)，此時可觀察到A/D采集到的數據。由于供給設備30 V穩(wěn)壓直流電源，故圖中通道C1～C10采集的數據均為30 V上下，同時這些數據均寫入文件。圖9所示為寫入文件的數據，同時使用示波器進行采集，發(fā)現滿足每10 ms上傳一次數據，結果如圖10所示。

采用STM32嵌入式開發(fā)的無人機地面控制裝置實現了遠距離數據采集與實時控制，使得無人機在惡劣環(huán)境下仍可執(zhí)行數據采集與上傳任務，在確保數據精度的情況下，為人們探索一些人力所不能及的地方提供了新的可能。

本文系統(tǒng)通過UDP協議進行通信，確保通信實時性的同時擁有獨立的指令協議，實現了通信可靠性。該裝置在與軟件聯調時發(fā)現的諸多問題在一次次排錯與整改中得到了排除，在保障安全性、維修性與可靠性的前提下進行三化設計，最終基本實現了要求的功能及指標。

參 考 文 獻

[1]季國華.基于DSP的嵌入式系統(tǒng)網絡通信技術應用[J].無線互聯技術，2017（24）：3-4.

[2]李逸瀚，石春，吳剛.基于μC/TCP-IP協議棧的嵌入式以太網通信系統(tǒng)[J].計算機應用與軟件，2017，34（9）：153-158.

[3]李德佶，吳萬敏.基于STM32和SIM800C的小型嵌入式監(jiān)控設備的設計與開發(fā)方案：以小微企業(yè)污水處理為例[J].科技與創(chuàng)新，2018（3）：36-38.

[4] SCAGLIA S.The embedded internet TCP/IP basics：implementation and application[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008：67-98.

[5]戚新建，章偉.基于STM32的快速嵌入式以太網接口[J].儀表技術與傳感器，2017（7）：45-49.

[6]譚浩強.C語言程序設計[M].4版.北京：清華大學出版杜，2010.

[7]康一梅.嵌入式程序設計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[8]范延濱，李小康.嵌入式Linux下WiFi接入技術研究[J].物聯網技術，2014，4（10）：30-32.

[9]姚莉，鄧丹君.基于A8的嵌入式Linux遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現[J].物聯網技術，2016，6（5）：24-26.

[10]張仕海，周穎.基于ARM的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計[J].物聯網技術，2017，7（5）：12-14，17.

[11]彭旭.基于嵌入式系統(tǒng)的通信控制器設計與開發(fā)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2007.