基于單片機負載控制的無人機電氣設備監測系統設計

吳 瑕，郎玉慶

(1.沈陽工學院 信息與控制學院，遼寧 撫順 113122；2.沈陽市政集團有限公司,沈陽 110021)

0 引言

STM32是一類功耗能力極低的半導體單片機芯片，以ARM Cortex-M4處理器內核作為核心搭建設備，可在與其它執行元件共用外設、軟件與引腳結構的情況下，大幅提升監控主機設備的應用靈活性。一般情況下，STM32單片機內部包含可變靜態存儲器、嵌套矢量中斷控制器、外部中斷/事件控制器、供電電源等多個連接結構[1]。其中，可變靜態存儲器具有多種數據支持模式，可在多信息量并存的條件下，將NVIC內核調試至最為緊密的連接狀態。嵌套矢量中斷控制器可同時提供多個中斷優先級選擇條件，可在中斷入口退出連接狀態后，快速切斷監控主機與執行設備之間的物理連接關系。外部中斷/事件控制器隸屬于STM32單片機的邊緣連接地帶，可直接順承供電電源中的傳輸電子，并將其轉化成既定的電氣負載輸出形式[2-3]。

在電氣化負載環境中，隨無人機飛行距離的增加，傳輸電子量會逐漸偏離最初的預設軌道，從而造成電子負載性能的持續性下降。為避免上述情況的發生，傳統嵌入式電信息監測系統通過配置I/O接口地址的方式，確定與電路采集板匹配的電子量傳輸能力，再借助STEP7軟件，實現對負載監控程序的編碼處理。但此系統在階段性時間內所能承擔的監控電子量水平相對有限，很難實現對電子負載量等級的有效促進。基于此引入STM32芯片，設計一種新型的無人機電氣設備監測系統，在保留芯片結構體原因執行能力的基礎上，建立電氣信號發生電路、以太網模塊等多個必要的硬件執行結構，并借助USB驅動程序，實現對監測任務有線級條件的實時設定。

1 基于單片機負載控制的監測系統硬件選型

基于單片機負載控制的監測系統硬件選型包含電氣信號發生電路、負載網絡控制器、無人機以太網模塊等多個硬件設備連接操作流程，具體研究方法如下。

1.1 電氣信號發生電路

電氣信號發生電路是無人機電氣設備監測系統中一個極為重要的電子處理環節，能夠實現電子負載在不同輸出形式下的準確連接，一般情況下，監測系統需要不定時對被檢測的無人機電源、負載電子、負載輸入/輸出電壓(電流)進行總線端的實時采樣。由于需要對STM32單片機中的電力與電壓進行同步的虛化模擬，并在保持良好輸出精度的情況下，對其進行歸一化處理，整個電氣信號發生電路內只存在LM35S(無人機電信號發生設備)一個核心控制裝置[4]。LM35S型無人機電信號發生設備采用先進的iCMOS制造工藝，可將無人機主機的高速模擬電路與數字邏輯電路完美集成起來，且在整個處理過程中始終遵循小尺寸封裝原則，能夠在提供良好電氣負載供應量的同時，避免STM32單片機對無人機主機造成的電子抑制性影響。但由于集成度水平相對較高，LM35S元件必須采取低電子采樣速率的執行標注，若不考慮電氣負載量對核心監控主機帶來的電量抑制問題，其采樣速率只能達到250 kS/s，但整個采用過程中的電子負載精度始終保持為16位[5]。

圖1 電氣信號發生電路示意圖

1.2 負載網絡控制器

無人機電氣設備監測系統中的負載網絡控制器借助以太網向PCB監控板發送TCP/IP型電氣信息數據包，電氣信號發生電路接受到以太網絡發送過來的TCP/IP數據包后，可直接從中解析出與無人機控制相關的數據指令，再根據文件數據包中應用指令的編寫形式，確定后續的控制執行操作，并將監控控制結果以原有TCP/IP數據包的形式反饋至無人機應用主機中，以便實現在STM32單片機中實時掌握電氣負載設備的最新連接狀態[6-7]。在無人機監控體系中，負載網絡控制器始終保持嵌入式連接形式，一般情況下，總是與STM32單片機芯片包含相同的軟硬件執行結構。硬件執行部分能夠直接組成負載網絡控制器的物理基礎，而軟件運行部分則由電氣信號發生電路與以太網模塊同時供應。完整的負載網絡控制器由監控主機、以太網絡、單片機設備、負載服務器等多個結構共同組成，各部分元件彼此協調相互配合，共同實現結構體主機的執行與應用。

圖2 負載網絡控制器結構圖

1.3 以太網模塊

以太網接口的實現主要通過嵌入式微處理器、外圍協議芯片和其它輔助電路結構體來提供負載監控設備所需的接口組織，最終實現模塊主機的核心數據通信功能。對于不同搭配協議芯片，以太網模塊能夠選擇不同的接口連接形式，且為使電氣信號發生電路的設計結構更加簡單，模塊內應選擇負載多個MAC控制器接口的芯片設備，STM32單片機能夠完全滿足上述設計需求，且其內部自帶了DMA控制器、MAC控制器兩種應用結構[8]。DMA控制器負責處理無人機電氣負載單元中的全路徑傳輸問題，在讀取系統中以太網幀隊列信息的同時，彈出一個獨立的幀狀信號傳輸結構，再直接傳遞給MAC內核設備。當最后一個幀狀信號被傳輸至以太網接口時，無人機主機中的MAC核會被負載網絡控制器完全移植，并返回至最原始的DMA連接形式。DMA控制器可直接訪問系統的PCB監控板，并可在監控負載接口的配合下，將無人機電氣信號轉存至外置PHY設備結構體之中[9]。

圖3 無人機以太網模塊結構圖

1.4 PCB監控板

STM32單片機作為無人機電氣設備監測系統的核心控制單元，應盡量將其放置在PCB監控板件的中央，主控制結構采用STM32F 107VCT6芯片與物理層PHY設備相連的應用形式，可在以太網模塊的作用下，將無人機負載信息數據的傳輸速率擴大至50 MHz，在傳輸過程中，所有數據線都應盡量保持平行的連接形式，因此在PCB監控板設計的過程中，應將兩個原始芯片置于平行放置狀態，并將其擺放在板件的中央位置處[10-11]。STM32F 107VCT6芯片被用來存儲與PCB監控板相關的設置參數信息，一般位于控制器內側，在無人機行進過程中，電源模塊會對電氣負載信號產生噪聲干擾，因此電氣信號發生電路只能連接在PCB監控板的右下端組織單元中[12]。由于STM32單片機執行作用的影響，PCB監控板在實際應用過程中只能維持原始的工作狀態，在線性穩壓電源反應速度極快的情況下，PCB監控板元件工作產生的噪聲值較低、輸出波紋量較小。

1.5 PLC擴展負載模塊

無人機監測系統預定設置70個控制負載結構。其中，20個關鍵飛行負載、30個關鍵任務負載、20個非關鍵負載，每個負載設備都接受STM32單片機的集中化控制與調度。本系統PLC擴展負載模塊的I/O信號如表1所示。

表1 無人機電氣設備監測系統I/O信號表

分析表1可知，無人機負載監控信號數字量輸入共156路，輸出共87路；無人機負載監控信號模擬量輸入共14路，輸出共3路。因此，無人機負載信號模塊選擇需求如下：32位電氣數字量輸入模塊共5塊、32位電氣數字量輸出模塊共3塊、8路電氣模擬量輸入模塊共2塊、4路電氣模擬量輸出模塊僅有1塊。

2 無人機電氣設備監測系統軟件設計

按照USB驅動程序連接、STM32型移植協議設置、無人機電氣通信組態分析 、監控任務有線級設定的處理流程，完成系統的軟件執行環境搭建，再結合相關硬件設備元件，實現基于STM32無人機電氣設備監測系統的順利應用。

2.1 STM32型移植協議

(1)

2.2 無人機電氣通信組態

無人機電氣通信組態的作用是控制STM32單片機中的電流傳輸形式。當流過無人機電氣負載設備的電流量過大時，通信組態元件可自發向系統監控主機發送跳閘執行信號。依據已連接電氣通信組態的狀態及來自STM32單片機部件的負載應用信息可知，整個監測系統中的邏輯部件與控制部件可同時接收與無人機設備相關的SSPC狀態信息，并可根據電流感受部件中跳閘信號的連接形式，判定STM32型移植協議連接行為的應用可行性[15-16]。大多數情況下，無人機電氣通信元件的組態連接行為可用“0”與“1”進行描述，且不同數字連接形式代表的負載監控狀態也會有所不同。表2列舉了幾種常見的無人機電氣通信組態連接形式。

表2 無人機電氣通信組態連接形式

2.3 監控任務有線級設定

在基于STM32單片機進行負載監控軟件設計時，無人機負載控制主機功能能否順利完成，很大程度上取決于能否合理的劃分監控任務。在進行電氣負載任務劃分時，不能只從整個系統的監控功能進行考慮，還需要考慮系統在運行過程中的執行特殊性。若監控任務有線級設定的過于細致，無人機主機需要進行頻繁的任務切換，會大大降低電氣負載元件的運行效率；若監控任務有線級設定的過大，會造成電氣負載CPU資源的過度浪費，其它監控人物監控任務的執行也需要較長的等待時間[17]。因此，在劃分監控任務有線級條件時，首先要分析各個無人機電氣負載元件之間的連接關系，盡量選用不同的監控任務實現STM32單片機的執行需求；其次根據監控任務的功能級條件為其分配不同的優先級權限。設λ代表STM32型移植協議的實際編碼系數，ξ1、ξ2代表兩個不同的無人機電氣負載周期值，聯立公式(2)，可將系監控任務的有線級設定條件表示為：

(2)

3 實驗分析

驗證基于STM32無人機電氣設備監測系統的實際應用價值。將無人機主體飛行結構置于距離核心參考系35km的飛行軌道之中，在既定實驗時間內，不施加任何外力作用，僅依靠無人機主機的負載能力進行飛行任務，為獲得準確的電氣負載數值，與實驗組無人機主機匹配的芯片搭載基于單片機負載控制的無人機電氣設備監測系統，與對照組無人機主機匹配的芯片搭載嵌入式監測系統。

控制實驗組、對照組無人機飛行時間保持一致，在完成飛行任務后，分別將兩組電氣負載芯片中的記錄數據導入相同監控主機中。UIS指標能夠描述無人機電氣設備所能承擔的電子負載量等級水平，一般情況下，UIS指標數值越大，無人機電氣設備所能承擔的電子負載量等級水平也就越高，反之則越低。圖4反應了實驗組、對照組UIS指標數值的具體變化情況。

圖4 UIS指標對比圖

分析圖4可知，實驗組UIS指標在實驗前期的數值水平較高、在實驗后期的數值水平較低；對照組UIS指標在整個實驗過程中的數值變化狀態則相對較為平均。從極限值的角度來看，實驗組最大值達到了64.1%，與對照組最大值14.8相比，上升了49.3%；實驗組最小值達到了3.6%，與對照組最小值10.2%相比，下降了6.6%，由于差值水平相對較低，因此并不能掩蓋實驗組系統在數據最大值方面的優勢。

以15 min作為一個監控時長，分別記錄在4個單位時長內，實驗組、對照組電子量監控值的實際變化情況，如表3所示。

表3 電子量監控值對比表

分析表3可知，隨著實驗時間的延長，實驗組電子量監控值基本保持先上升、再小幅波動的變化狀態，全局最大值達到了7.4×1011T。對照組電子量監控值則在一定時間的穩定狀態后，開始持續性上升，全局最大值僅能達到5.2×1011T，與實驗組極值相比，下降了1.8×1011T。

綜上可知，隨著所設計系統的應用，單位時間內的電子量監控值出現了明顯上升的變化趨勢，無人機電氣設備所承擔的電子負載量等級水平也得到了明顯促進，可在深入分析無人機電氣應用環境中電子負載性能的同時，實現對傳輸電子量的合理性監管與控制。

4 結束語

在STM32單片機芯片的作用下，無人機電氣設備監測系統的電氣信號發生電路結構得到有效完善，且PLC擴展負載模塊、PCB監控板等設備元件之間的連接應用功能也逐漸趨于穩定。從實用性角度來看，UIS指標與電子量監控值的增大，能夠促進無人機電氣設備所承擔電子負載量等級水平的提升，可有效解決與負載電子量相關的合理性監管與控制問題。