Arduino解析航模遙控器PPM信號

ID:82518 · 發(fā)表于 2018-4-29 21:30

PPM信號是航模遙控器輸出的一種標(biāo)準(zhǔn)信號，從PPM信號中可以獲取7-9個通道的遙控指令數(shù)據(jù)。PPM看起來很像PWM，很多模型愛好者對于它們產(chǎn)生了誤解，有些朋友認(rèn)為PPM和PWM就是一回事，其實不然，下面我們先說明一下它們之間的區(qū)別和關(guān)系。

PWM，是英文Pulse Width Modulation的縮寫，意思就是脈沖寬度調(diào)制。脈沖就是由高、低電平組成的信號序列，其中高電平的時間就是這里所說的脈沖寬度，也就是高電平維持的時間，單位為微秒，范圍在500-2500微秒(us)內(nèi),或0.5毫秒-2.5毫秒（ms）。如下圖所示：

這樣的一個脈沖通常用來控制一個通道，即一個舵機，如要控制多個舵機，則需要多個這樣的通道，例如：我們要控制一架固定翼模型飛機，則我們至少需要四個通道來分別控制油門、副翼、升降舵、方向舵，各個通道的脈沖寬度控制各個舵機轉(zhuǎn)動。

而PPM是英文Pulse Position Modulation的縮寫,意思是脈沖位置調(diào)制,又稱脈位調(diào)制，實質(zhì)上就是將多個通道的PWM放到“一根線”上進行傳輸，一個完整的PPM信號幀包含了多個通道的PWM值，下面看一個圖解：

圖中第一個波形為PPM信號，第二個波形為一通道的PWM，它對應(yīng)到PPM信號的“K1”，第三個波形為二通道的PWM，它對應(yīng)到PPM信號的“K2”，依次類推，“K8”對應(yīng)到第八通道的PWM。K1的前面及K8后面還有一個比較“寬”的脈沖，它的寬度大于所有通道的脈沖寬度，這個也稱為“同步脈沖”，在這樣的一幀信號中，找出信號的“頭”很關(guān)鍵，就如同在SBUS信號解析的過程中，要找到數(shù)據(jù)的開頭，才能正確的解算出各通道的數(shù)據(jù)。PPM信號“同步脈沖”就可以作為“幀頭”來使用，只要判斷一個脈沖大于通道的“正常值”，那么接下來的一個脈沖就是1通道的數(shù)據(jù)。這里要注意的是：PPM中的通道脈寬比實際的PWM脈寬要“窄一點”，這里是由于在PPM信號中需要接入脈沖間隔，以區(qū)分通道，而PPM信號幀的總長又不宜過長，因此把每個通道的脈寬“砍掉”一個同樣的寬度作為間隔，我們在計算通道PWM脈寬時還應(yīng)該把這個被砍掉的部分加上。

下面開始介紹我的解算思路。很顯然，PPM信號不能像SBUS解算那樣使用串口，因為PPM就沒有“波特率”，它的實質(zhì)就是一序列串在一起的脈沖，要解算它實質(zhì)就是要把這些脈沖一個一個地采集進來。在Arduino中有一個專門用于采集脈沖寬度的函數(shù)：pulseIn(),這個函數(shù)可以用來完成PPM解析，但是用這個函數(shù)有一些弊端：1、它會“死等”脈沖的到來，也就是脈沖不來，它就會在那里永遠等待；2、當(dāng)在執(zhí)行一個脈沖的采集時，程序依然會停在那里等待采集完畢，這樣的話，整個解算過程即要等待8個通道及一個同步脈沖的總時間，加在一起是20毫秒，如果這個解算過程只是用于演示，那么我們可以接受，但如果是用于實時控制，比如四軸飛行器，這么長的采集周期勢必會讓整個控制崩潰，因此，我們必須尋找其他的解算方法。（這里舉個例子，玩過APM飛控的朋友應(yīng)該知道，APM的遙控信號輸入是使用的是PWM通道獨立輸入，而采集這些信號的任務(wù)都不是有主控芯片mega2560來完成的，完成這個任務(wù)是由協(xié)處理芯片：mega32，它同時也是USB轉(zhuǎn)TTL芯片，這說明采集多路PWM確實是一個比較“繁瑣”的過程）。那么采用什么辦法來做呢？

單片機系統(tǒng)都有外部中斷，可以用中斷來處理這些“粘在一起”的脈沖。這次試驗用的Arduino板為：NANO板，這個板（MEGA328）使用Arduino官方庫時有兩個外部中斷：D2及D3口，試驗中使用了D2，即外部中斷0，觸發(fā)方式設(shè)置為“跳變”，即脈沖的上升沿及下降沿均觸發(fā)中斷，并在中斷處理函數(shù)中判斷觸發(fā)方式（上升沿或下降沿），然后分別記錄進入中斷的時刻（使用Arduino的時間函數(shù)：micros()）,然后下降沿時刻減去上升沿時刻，即可得到一個脈沖的寬度（這個方法同樣可以用于單通道PWM的采集，或者超聲波測距）。

那么如何處理這一串脈沖呢？如何正確獲得通道PWM呢？我的方法是：連續(xù)采集20個脈沖寬度放在一個數(shù)組中，然后去數(shù)組中尋找“同步脈沖”，找到它之后，緊隨其后的8個數(shù)組元素就是我們需要的通道PWM數(shù)據(jù)。為什么一定要采集20個呢？因為我們無法確定第一次采集到脈沖是哪個通道的，除非“運氣好”，一開始就獲取到了“同步脈沖”，因此，如果我們非常“小氣”地只采集9個，幾乎不可能容易地從中找到正確完整的數(shù)據(jù)，當(dāng)然也可以做一個比較細致、復(fù)雜的解算程序來完成（如果你是一個拼圖高手），而每次采集20個，則保證了每一次采集到的脈沖序列中至少包含一幀完整的數(shù)據(jù)，這樣就可以簡化解算的過程，只需要找到“同步脈沖”，然后從它之后順序取8個脈沖，其余的數(shù)據(jù)丟棄，然后進入下一輪采集。

本次試驗中使用的遙控器仍為FUTABA T10CHG，試驗中將發(fā)射模式設(shè)置為“2.4G 7CH”，就是飛模擬器使用的模式，然后用一個音頻接頭改裝連線，連接遙控器背面的PPM信號線及地線。PPM信號線連接到NANO板的D2口，地線就在NANO上找一個GND接上。

下面是中斷處理函數(shù)及通道更新函數(shù)：

程序說明：在初始化中還必須將D2端口設(shè)置為輸入模式，并且設(shè)置中斷0：attachInterrupt(0,ppm_in,CHANGE)。其中ppm_flag用于控制采集脈沖的個數(shù)，并且將這些脈沖序列按順序存放到數(shù)組ppm_date[]中；flag_in用于確保采集脈沖是從上升沿開始（因為上升沿和下降沿都會觸發(fā)中斷），它在上升沿處理中被置1，在下降沿處理中被置0，達到的目的就是在沒有采集到上升沿時不對下降沿進行處理，因為我們要采集的是高電平的時間；flag_out用于判斷是否完成了脈沖采集和是否完成了通道解算，當(dāng)完成采集時它被置1，這個時候中斷函數(shù)停止數(shù)據(jù)采集，只有等通道更新完畢后，它才會被置0，中斷函數(shù)才會進行新一輪的數(shù)據(jù)采集，而在它為0的期間，也就是在數(shù)據(jù)采集的期間，不會進行通道更新。接下來從串口監(jiān)視器觀察原始數(shù)據(jù)，即采集到的ppm_date[]:

上圖中，每一行數(shù)字即是完整ppm_date[]幀，從數(shù)據(jù)中可以看到，每一行都有兩個比較大的數(shù)字：大于3000，這個就是我們要找的“同步脈沖”，找到一個之后，后面跟的8個數(shù)，就是要提取的通道數(shù)據(jù)。當(dāng)然，從數(shù)據(jù)中能夠看到，有時每兩個“同步脈沖”之間偶爾會出現(xiàn)不足8個有效數(shù)據(jù)的情況，但這個影響暫且可以接受，我們可以設(shè)計更嚴(yán)密的通道更新程序?qū)⑦@樣的數(shù)據(jù)幀丟棄。下面來看看1通道的數(shù)據(jù)，在試驗過程中可以保持一通道（副翼）搖桿在中立位置（所有微調(diào)歸0），此時可以看到得到的數(shù)據(jù)為1120左右，在這種情況下，該通道的實際輸出脈寬（PWM）應(yīng)為1520，這個我們可以對FUTABA接收機的一通道輸出PWM進行采樣驗證，因此從ppm中獲取的數(shù)據(jù)還應(yīng)該加上400，這個就是低電平的持續(xù)時間即上面提到的“被砍掉的那一部分”，當(dāng)然這個時間也可以用中斷去采集ppm的低電平間隔得到。在程序中我直接給每個通道加了400，通過與之前PWM采集的數(shù)據(jù)進行對比，得出的結(jié)果是一致的。下面從串口監(jiān)視器觀察解算出來的通道數(shù)據(jù)channels[],channels[0]代表1通道，副翼通道：

至此，PPM信號解析完成，從實驗中可以看出，F(xiàn)UTABA T10CHG的ppm輸出確實為7個比例通道，第8個通道保持在中立位。這個試驗主要是針對FUTABA T10CHG，對于其他品牌的遙控器我將進行進一步的試驗，比如6通道的SPEKTRUM DX6I遙控器的PPM輸出，也許還是有差別的吧。希望各位大神批評指正，多多指導(dǎo)！