摘? 要: 隨著微型飛行器測控系統(tǒng)的發(fā)展，其功能模塊多由IC芯片實現(xiàn)。采用何種總線方式實現(xiàn)功能模塊間的連接和協(xié)作將極大地影響測控系統(tǒng)的布局和器件的選擇。在選擇測控系統(tǒng)的總線時，一方面要保障系統(tǒng)的性能，另一方面要結合微型飛行器本身的特點。對于不同硬件基礎的測控系統(tǒng)，其總線的設計過程和要解決的關鍵問題是不同的。分別以基于單片機系統(tǒng)和芯片系統(tǒng)的測控電路為例，說明不同總線在測控系統(tǒng)中的應用。

　　關鍵詞: 微型飛行器? 測控系統(tǒng)? 總線? 芯片系統(tǒng)

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　　根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀，微型飛行器的尺寸一般在25厘米以下，重量在幾十克到500克之間。由于微型飛行器對有效載荷的體積和重量有嚴格要求，其測控系統(tǒng)也向著微型化的方向發(fā)展，測控功能多是由IC芯片完成。連接這些芯片，使之能相互協(xié)作，共同完成測控功能的介質就是總線系統(tǒng)。采用何種總線方式在很大程度上決定了芯片的選擇和測控系統(tǒng)的布局。測控系統(tǒng)的芯片化和總線技術的進步是微型飛行器測控系統(tǒng)得以實現(xiàn)并不斷發(fā)展的動力，也是其測控系統(tǒng)的特色所在。

　　目前，微型飛行器一般采用嵌入式微機系統(tǒng)、單片機系統(tǒng)和正在研究中的芯片系統(tǒng)作為設計測控系統(tǒng)的硬件基礎。但是隨著飛行器測控系統(tǒng)的微型化，嵌入式微機系統(tǒng)由于體積和重量上的原因將不再適用，單片機系統(tǒng)(其中包括DSP系統(tǒng))是目前測控系統(tǒng)設計的主流，而集成度更高的測控芯片系統(tǒng)將成為微型飛行器測控系統(tǒng)發(fā)展的方向。本文將根據(jù)微型飛行器測控系統(tǒng)的特殊要求，說明基于單片機系統(tǒng)的總線設計特色以及一般性問題的解決方案，并介紹內部總線在測控芯片系統(tǒng)中應用時需要解決的問題。

1 微型飛行器測控系統(tǒng)的構成和特點

　　總線的選擇和設計離不開具體的應用背景。要選擇系統(tǒng)的總線方式，必須首先了解微型飛行器測控系統(tǒng)的結構和特點^[1]。微型飛行器測控系統(tǒng)是用來接收、處理和發(fā)送微型飛行器中信號和數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，測控系統(tǒng)一方面要完成特定狀態(tài)下相關參數(shù)的測量，另一方面要對飛行器進行控制。從功能上可以將測控系統(tǒng)分為控制模塊、傳感器模塊和執(zhí)行器模塊。其中，視頻和GPS等系統(tǒng)可以歸屬于特殊功能的傳感器，而數(shù)據(jù)發(fā)送則屬于特殊功能的執(zhí)行器。微型飛行器測控系統(tǒng)的功能結構如圖1所示。

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　　與常規(guī)的飛行器測控系統(tǒng)相比，微型飛行器測控系統(tǒng)在硬件結構上有以下特點:①由于空間和重量的限制，控制模塊通常采用單芯片微控制器，各功能模塊均在IC芯片基礎上進行開發(fā);②微型飛行器本身尺寸很小，所以各個模塊和IC芯片之間的距離不能很遠;③測控系統(tǒng)是單主機結構;④微型飛行器的重量小、響應快，數(shù)據(jù)傳輸要求實時和高速。從測控系統(tǒng)的信號上看，各種芯片所處理的信號是不同的，例如，控制舵機的指令信號多是脈寬調制信號，而傳感器的信號又有數(shù)字類和模擬類兩種。此外，還有視頻系統(tǒng)的圖像信號等。這些信號需要在芯片間傳遞，被主控制單元統(tǒng)一處理。此外，這些信號和數(shù)據(jù)的流向是單向的，傳感器系統(tǒng)提供信號和數(shù)據(jù)，經(jīng)過微控制器運算后，成為控制指令和測試數(shù)據(jù)，分別輸出到不同的執(zhí)行器。這些特點使得微型飛行器測控系統(tǒng)在器件和總線方式的選擇上都具有其特殊性。在設計測控系統(tǒng)時，首先要根據(jù)測控系統(tǒng)在設計上的要求，分析其信號和數(shù)據(jù)的種類以及在處理和傳輸上的特點，規(guī)劃信號流程，從而保證測控功能的完成。然后根據(jù)信號流程選擇總線方式和芯片器件。作為信號和數(shù)據(jù)的載體和連接各個器件的橋梁，總線不僅要實現(xiàn)各個功能芯片之間信號和數(shù)據(jù)的共享，而且要保證數(shù)據(jù)和信號傳輸?shù)母咚傩院涂煽啃浴?/P>

2 總線的選擇和應用

　　在測控系統(tǒng)中，使用何種總線方式是與系統(tǒng)的要求和芯片的選擇緊密相連的。采用的總線不同，形成的測控系統(tǒng)也大相徑庭。具體到微型飛行器測控系統(tǒng)中，還需要考慮實際的使用要求和被測對象的特點，包括:

　　· 測控系統(tǒng)體積和重量的要求;

　　· 微型飛行器測控系統(tǒng)本身的特點;

　　· 測系統(tǒng)的設計成本;

　　· 與總線相匹配的外圍功能器件的可獲得性;

　　· 微控制器和與之協(xié)作的微傳感器和微執(zhí)行器接口的統(tǒng)一性。

　　根據(jù)這些條件，可以選擇不同的總線滿足設計要求。總線可分為內部總線和外部總線。本文中內、外部總線是按照被連接測控系統(tǒng)各個功能模塊進行劃分的。從這個意義上，基于單片機的測控系統(tǒng)采用的是外部總線方式，而測控芯片系統(tǒng)采用的是內部總線方式。

2.1 外部總線

　　就目前的硬件水平，測控系統(tǒng)的各個功能分別由各自獨立的芯片完成。主控制器一般采用單片機，通過外部總線和外圍功能模塊共同形成單片機擴展系統(tǒng)，這就使得外部總線大量應用于基于單片機系統(tǒng)的微型飛行器測控系統(tǒng)。外部總線從傳輸?shù)姆绞缴嫌挚梢苑譃椴⑿锌偩€和串行總線。這兩種總線有各自的優(yōu)點和缺點，其比較結果如表1所示(表中的性能只是相對而言)。結合微型飛行器測控系統(tǒng)的特點，并考慮系統(tǒng)信號和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群涂煽啃?，一般情況下，測控系統(tǒng)應盡可能地采用并行總線系統(tǒng)。

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　　在標準的并行總線中，數(shù)據(jù)信息、地址信息和控制信息獨立使用各自的總線，又稱為三總線結構?？紤]到微型飛行器測控系統(tǒng)是單主機結構，在使用并行總線時，一種方法是利用地址和控制總線對特定的外圍芯片進行操作，這些外圍芯片能處理一些變化的模擬信號，轉化為數(shù)據(jù)后，存放在自身的存儲器中。微控制器通過片選信號直接訪問存儲器，獲得信號數(shù)據(jù)。例如測控系統(tǒng)處理控制指令的過程，就是單片機通過三總線直接控制82C53芯片獲得控制指令數(shù)據(jù)^[2]。但是連接在總線系統(tǒng)上的各個功能模塊不僅僅是存儲器和外設，也可能是其它微控制器，例如GPS和視頻系統(tǒng)中的微控制器等。要想從這些模塊中獲得數(shù)據(jù)，就牽涉到并行總線上多個微控制器的數(shù)據(jù)共享問題。在實際的應用中可采取共享RAM的方法，具體的電路可參考本文提出的模型直升機測控系統(tǒng)設計實例，如圖2所示。

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　　圖2中，外圍單片機的數(shù)據(jù)先寫到一個多口RAM的不同單元中，如CY7C136芯片等。然后主單片機可以及時地從該RAM中獲得所需要的數(shù)據(jù)。使用多口RAM一般存在兩個問題:一是多個微控制器對一個多口RAM讀寫數(shù)據(jù)的操作沖突，即對RAM中的同一個單元的同時讀或同時寫的操作是不能被允許的，但是在微型飛行器測控系統(tǒng)中信號和數(shù)據(jù)的流向是單向的，在很大的程度上解決了這個問題;第二個問題是如何保證所采集到的控制指令和姿態(tài)數(shù)據(jù)在同一個控制指令周期內，即主控制器從RAM中獲得的數(shù)據(jù)必須能反映當前控制指令下的直升機姿態(tài)。由于微型飛行器的單主機結構，可以通過主控制器擴展外圍的延時電路來保證所獲得的數(shù)據(jù)均在同一個指令周期中。綜上所述，使用多口RAM成為在測控系統(tǒng)中連接多個微控制器獲得數(shù)據(jù)的一種常用方法。

　　在通常的情況下，由于微型飛行器測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量大，傳輸速度要求高，應盡量使用并行總線。但這并不意味著并行總線是設計測控系統(tǒng)的唯一方法。在保證測控性能的前提下，使得系統(tǒng)在重量和體積上最小才是設計的目的。對一些已經(jīng)提供了串口，并且對傳輸?shù)乃俣纫蟛缓芨?、傳輸?shù)據(jù)量較少的傳感器，如HMR3000數(shù)字羅盤，采用串行總線有其獨特的優(yōu)點:一是串行總線連接線少，總線結構比較簡單，可大大簡化系統(tǒng)的硬件設計;二是串行接口器件的安裝、拆卸都非常方便，并且對總線上的其它集成芯片沒有影響。所以在設計總線時，應當根據(jù)實際的情況綜合使用不同的總線。在圖2中，HMR3000數(shù)字羅盤與外圍單片機之間是串行總線通信，而其它的芯片使用的是并行總線。

2.2 內部總線

　　內部總線是連接芯片內部各個功能模塊的總線系統(tǒng)。內部總線傳輸速度快，性能穩(wěn)定。要將內部總線應用到微型飛行器的測控系統(tǒng)中，首先要將各個功能模塊集成到一個芯片上，形成一個芯片系統(tǒng)(SYSTEM ON CHIP)。內部總線的設計在很大程度上要依賴于功能模塊芯片的選擇及其在芯片內的布局。所以，內部總線在測控系統(tǒng)中的使用是和芯片系統(tǒng)的發(fā)展密切相關的。

　　從硬件電路上說，測控系統(tǒng)的體積和重量越是減小，飛行器的有效載重就越會提高，飛行器的布局空間就越大。所以不論微型飛行器的極限尺寸是多少，微型飛行器的測控系統(tǒng)必須向著微型化的方向發(fā)展。隨著芯片技術的發(fā)展，在微控制器中將不僅僅是CPU、存儲器、定時器等常規(guī)部件，對于微型測控系統(tǒng)而言，微控制器還需要集成特殊功能存儲器、通信控制器、AD/DA、視頻信號處理器、信號處理接口等模塊化組件，甚至還要包括微傳感器和微執(zhí)行器。這些器件通過內部總線形成一個芯片系統(tǒng)^[3～4]，使得對微型飛行器測控系統(tǒng)的設計進入到芯片級。目前對芯片系統(tǒng)的研究多集中在對專用芯片的開發(fā)上。圖3所示的TC35186F即為一個多模塊化的芯片系統(tǒng)。內部總線就是要將圖中的功能模塊連接起來，實現(xiàn)信號和數(shù)據(jù)的共享。

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　　盡管內部總線的性能要高于外部總線，但在現(xiàn)階段的測控系統(tǒng)中，單片機系統(tǒng)及外部總線卻是設計測控系統(tǒng)的主流，芯片系統(tǒng)并沒有得到廣泛的應用。這主要是因為微控制器、微傳感器、微執(zhí)行器以及信號處理技術在芯片系統(tǒng)中的使用還存在下面的問題，即用內部總線實現(xiàn)測控功能時面臨的問題:

　　·由于各個微型飛行器的使用目的不同，芯片系統(tǒng)在功能和接口上的通用性、互換性必須得到滿足。反映在總線設計上，就關系到模擬信號和數(shù)字信號的融合技術。

　　·將微傳感器和微執(zhí)行器集成到芯片系統(tǒng)中會嚴重地降低傳感器的使用范圍和執(zhí)行器的物理性能。與總線相關的就是如何實現(xiàn)微機電系統(tǒng)接口的設計。

　　·在測控系統(tǒng)信息處理過程中，如何解決基于多路傳感器的數(shù)據(jù)融合技術，即芯片系統(tǒng)中微控制器的多通道處理對總線系統(tǒng)的要求。

　　只有完全解決了這些問題，芯片系統(tǒng)才能適用于微型飛行器的測控。目前，測控芯片系統(tǒng)雖然仍停留在研究實驗階段，但在解決以上問題中取得了大量的研究成果[5～6]。

　　采用總線方式將各個功能模塊連接成為一個測控系統(tǒng)，可以有效地提高各個功能模塊的工作效率，保證信號和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群涂煽啃?。并且由于總線技術的進步，擴展了測控系統(tǒng)在功能器件、系統(tǒng)結構、信號規(guī)劃等方面的選擇。從總線設計的角度看目前微型飛行器測控系統(tǒng)的設計，會發(fā)現(xiàn)各個功能模塊的選擇不是孤立的，而是要根據(jù)整個系統(tǒng)在體積、重量、數(shù)據(jù)傳輸上的要求進行綜合考慮。

　　從發(fā)展的角度看，總線的發(fā)展實際上是和芯片設計與制造同步的。芯片的制造和設計是從分立元件發(fā)展到超大規(guī)模的集成電路，微型飛行器測控系統(tǒng)也將從各自獨立的功能模塊發(fā)展到芯片系統(tǒng)。同樣的，測控系統(tǒng)的總線也將從連接相互獨立的芯片發(fā)展到連接芯片系統(tǒng)內部的各功能模塊，即從外部總線發(fā)展到內部總線。

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參考文獻

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