无人机控制中心接口设计 徐鑫Word文件下载.docx
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在实际的测试中，对这两个接口进行了试验，控制中心发出的控制指令能快速的使无人机有所动作，无人机返回的实时画面和GPS定位信息也能及时的显示到控制中心。
试验结果表明，本文所设计的信号接口满足了控制中心与无人机之间的信号传输的需求。
关键词：
无人机；
接口设计；
si4432芯片；
WiFi
ABSTRACT
Alongwiththebroadapplicationofthepilotlessaircraftinmanyareas,thedemandsonitspartsisgettinghigherandhigher,signaltransmissionbetweenthecontrolcenterandunmannedaerialvehiclessignalinterfacegetsmoreandmoreattention.Controlcenterisanimportantcomponentofunmannedaerialvehicles,itstransmissionspeedisdirectlyrelatedtothecontrolforthecontrolcentertounmannedaerialvehiclesandtheinformationreturnedbyunmannedaerialvehicles.Therefore,thesignalinterfacedesignnotonlymeetsthereal-timetransmissionofbasiccontrolsignals,butalsomeettheunmannedaerialvehiclesreal-timeimagesandlocationsignaltransmission.Thisissueisraisedinthecontextofthisstudy.
Thispaperusesamodulartodesignafasttransmission,weusetwotransmissioninterface,oneUSBconnectswirelessdatareceivermodule,anotherUSBconnectsWiFimodule,sowhenunmannedaerialvehiclesisinflight,itnotonlycanquicklyreceiveacontrolsignal,butalsoreturnreal-timescreenandGPSpositioninginformationtothecontrolcenter.Itsolvestheproblemofslowtransmissionspeed,whichcausedbymultiplesignalsthroughaninterfacesimultaneously,itguaranteestherapidtransmissionofsignalsbetweenthecontrolplatformandunmannedaerialvehicles.
Intheactualtest,thetwointerfacesweretestedandcontrolcommandsissuedbythecontrolcentercanquicklymakeunmannedaerialvehiclessomemove,thereal-timescreenandGPSlocationinformationreturnedbyunmannedaerialvehiclescanalsobedisplayedinthecontrolcenterintime.Experimentalresultsshowthatthesignalinterfacedesignmeetsthesignaltransmissionbetweenthecontrolcenterandunmannedaerialvehicles.
KeyWords：
UAV;
interfacedesign;
si4432chip;
WiFi
目录
1绪论1
1.1无人机概述1
1.1.1基本简介1
1.1.2无人机世界发展历程1
1.1.3无人机我国发展历程2
1.2无人机优劣介绍2
1.2.1主要优点2
1.2.2主要劣势3
1.3本文的主要研究内容3
2无线串口的设计4
2.1Si4432无线收发器件5
2.1.1功能描述5
2.1.2工作模式6
2.2控制接口6
2.3引脚描述8
3远距离无线模块9
3.1模块的工作方式9
3.1.1硬件唤醒9
3.1.2串口唤醒10
3.1.3空中唤醒10
3.1.4模块的收发转换10
3.2模块的组网应用及注意事项11
3.3天线的选择11
4WIFI无线模块接口设计13
4.1WIFI简介13
4.1.1定义13
4.1.2历史13
4.1.3组建14
4.2认识802.11n无线天线14
4.2.1传输14
4.2.2定向信号15
4.3WIFI、蓝牙、红外线无线传输比较15
5模块的安装与调试18
5.1远距离无线模块18
5.1.1软件检测模块与参数的更改18
5.2网卡设置AP发射WIFI模式的设置步骤19
结论26
参考文献27
致谢28
1绪论
1.1无人机概述
1.1.1基本简介
无人机是当今世界航空航天发展的一个热点。
它是用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人的飞机。
飞机上没有驾驶舱，但是装有自动驾驶装置、程序控制装置等设备。
控制中心可通过控制平台对其进行跟踪、定位、遥控和数据传输。
可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞，也可以像普通飞机一样降落。
可反复使用多次。
与有人驾驶飞机相比，无人机在执行许多任务方面更具有优越性。
因此，无人机在世界各国的研发投入越来越大，使得无人机技术有了很大的发展，它将与孕育中的武库舰、无人驾驶坦克、机器人士兵、计算机病毒武器、激光武器等一道，成为21世纪陆海空战舞台上的重要角色，对未来军事斗争造成深远的影响。
最近几年，小型无人机广泛应用于各个领域，可按照控制中心预定的航线飞行，也可以利用遥控装置人工控制，可用来进行监测活动，监测敌方的活动；
可用来进行摄像，利用无人机上的各种摄像机在白天或者晚上进行摄像，并能将这一些画面实时的传输到控制中心；
可用于农业生产上，利用无人机对大面积的农作物喷洒农药；
还可用来进行搜救活动，在受灾区或者山区执行搜寻任务。
1.1.2无人机世界发展历程
随着无人机技术的成熟，1933年1月，英国由“费雷尔”水上飞机改装成的“费雷尔·
昆士”无人机试飞成功。
在1934—1943年间，英国一共生产了420架全木结构的双翼无人靶机，并重新命名为“蜂王”。
英国人在无人机研制上捷足先登，美国也不甘落后，早在1915年，美国的斯佩里公司和德尔科公司就曾研制出第一架无人机，此后不久，美国陆军的查尔斯·
F·
凯特林又研制出一种无人机，并取名为“凯特林飞虫”。
在第二次世界大战中，美国陆军航空队曾大量使用无人靶机，并在太平洋战场上使用过携带重型炸弹的活塞式发动机无人机对日军目标进行轰炸。
二战结束后，随着航空技术的飞速发展，无人机家族也逐渐步入其鼎盛时期。
时至今日，世界上研制生产的各类无人机已达近百种，并且还有一些新型号正在研制之中。
而随着计算机技术、自动驾驶技术和遥控遥测技术的发展和在无人机中的应用，以及随着对无人机战术研究的深入，无人机在军事方面的应用日益广泛，被誉为“空中多面手”、“空中骄子”。
2005年3月17日,霍尼韦尔国际公司宣布，它已收到一份系统工程合同，用于分析国防预先研究计划局（DARPA）的微型无人机（MAV）同陆军未来战斗系统（FCS）第一级无人机系统之间的差异。
FCS将利用先进的通信与技术将战士们同有人和无人地面和空中平台和传感器链接一起。
FCS允许部队快速运动和执行各种任务。
1.1.3无人机我国发展历程
我国无人机只所以引人瞩目不仅在于已经形成了品种齐全、功能多样的完备系列，而且在于其不断提升的性能指标。
近年的珠海航展和北京航展成为中国无人机的最佳秀场，“翼龙”、“天翼”、“蓝狐”、“夜鹰”、“鹞鹰”等多型号、多用途的无人机争奇斗艳。
它们在各自领域显示出非凡身手：
从战场侦察监视到定位校射，从毁伤评估到实施电子对抗，从航空摄影到灾情监视，从交通巡逻到治安监控等。
对中国无人机及其产生的影响，外界根据航展上获得的各项性能指标和媒体上披露出来的相关信息进行各种猜测和评估。
俄罗斯军事评论网认为，中国如果成功启用“翔龙”无人机，将会成为世界上第二个能在广袤空域进行无人战略情报侦察的国家，可实时监视遥远的目标，从而获得较大的战略和军事优势。
1.2无人机优劣介绍
1.2.1主要优点
无人机具有以下优势：
1、更强的机动性——战斗机内人体忍耐力会限制军队在快速行动期间利用飞机集中人员的数量，而无人机克服了这一缺点，从而使得机动性大大提高。
2、重量更轻——重量可以影响很多方面，如续航时间、加速、有效载荷等。
毕竟驾驶舱内的飞行员及其它物品会有很大的重量。
3、有更好的空气动力——不需要驾驶舱顶蓬。
4、环境感知——利用无人机能够在地面上构建虚拟座舱，这比在飞机上安装任何装置都有效。
而且，对于执行任务而言，环境感知是很重要的，而空对空作战并不需要在实际飞机上进行侦察。
5、不会让相关人员感到疲劳——飞行员可以在地面控制他们的无人战斗机，执行任务时更舒适，更灵活。
6、耗资更低——飞行部队耗资更低。
所有的人机互动装置、生命维持、弹射座椅等会需要很多资金，但如果是无人战斗机，就仅需要人机交互装置，而且许多无人机可以共用一个，更低价，无需承受所有的压力。
相关人员只需与无人战斗机进行通信，而且飞机中已经有一些通信方式，所以不会有大的变化。
7、让飞行员远离危险——无人战斗机能够挽救飞行员的生命。
训练飞行员的成本很高，而且很难迅速进行替换。
8、无人战斗机能够开展远程超视距外空对空攻击以及视距内近程作战，而且无人战斗机成本低、数量与质量相当并且有可能用于与敌军同归于尽的战术中。
1.2.2主要劣势
无人战斗机也存在一定的劣势。
例如，无人战斗机很容易受到干扰以及人员因素的影响。
而且，无人战斗机的行动还存在滞后性，虽然无线电通信能够迅速传播，但在空战过程中反应时间也是至关重要的。
此外，无人战斗机还存在单点失效性：
一旦敌军摧毁了指挥中心，那么所有无人战斗机便会丧失效用。
1.3本文的主要研究内容
本课题主要围绕控制中心信号接口设计展开，主要研究内容包括以下几个方面：
（1）无线串口的设计。
设计主要包括：
si4432芯片、小型天线。
本设计主要实现GPS定位信息的传输和控制中心的控制信号的传输。
（2）WiFi无线模块接口的设计。
本设计主要针对视频图像等大信号的传输。
2无线串口的设计
本设计采用一款高稳定性、低功耗的采用GFSK调制方式的无线透明数据收发模块。
该模块相对一般模块具有尺寸小，灵敏度高，传输距离远、通讯速率高，内部自动完成通讯协议转换和数据收发控制等特点。
本模块主要由si4432、小型天线等构成。
图2-1模块管脚定义图
表2-1模块与设备连接说明图
2.1Si4432无线收发器件
2.1.1功能描述
Si4432是一款CMOS的ISM无线收发器件，频段240—930MHz连续可调。
工作电压范围为1.8~3.6V和低电流消耗，是电池供电解决方案的理想应用。
Si4432是一个分时双工收发器件，可交替传输和接收数据包。
它的接收路径是使用一个单转换结构镜像抑制混频2-levelFSK/GFSK/OOK/调制接收信号到一个低中频率。
跟随一个可编程增益功率放大信号通过一个高性能∑△ADC转换成数字领域，所以在数字领域进行过滤解调、切片、错误纠正和包处理，内置的DSP增加了接收器的性能和灵活性与模拟的架构。
信号的解调输出，是由该系统通过一个可编程的微控制器的GPIO或者通过标准的SPI总线阅读64K字节接收FIFO的。
一个高精度振荡器是用于传输和接收模式，因为发射器和接收器不在同一时间工作。
LO产生一个综合的VCO和∑△N-PLL合成器。
合成器支持可设置的数据传输速率，240-930MHz任意频率允许配置波特率、输出频率、频偏、高斯滤波。
发射FSK数据直接调制到△—∑数据流，这个数据可通过一个高斯低通滤波整形来达到一个更满意的频谱。
输出功率可配置的范围以3db的步长从+11到+20dbm。
这个单端PA允许容易匹配和低成本的精简外围，PA包含它自己突发信号的斜升和斜降以此为了防止大频谱的散射，一个集成+20dbm的PA、容易调频控制、收发切换控制、天线分集切换控制、能够表现出显著优势。
天线分集完整集成到IA4432并且在一个典型的环境能够提高系统链路预算8-10db，视环境确定天线分集提高的范围。
图2-2+20dbm天线分集应用和跳频技术
Si4432外围电路有有一个MCU、一个晶体和一些被动元件。
如上图所示。
芯片集成了电压调节器，工作电压从1.8~3.6V，只有4针SPI线与MCU连接。
三个配置通用I/O，可用于调整需要的系统。
2.1.2工作模式
Si4432提供的一些运行模式，可以用于优化设备应用电量消耗。
根据该系统的通信协议，实现最佳的无线电能耗。
下表2-2概括了Si4432的工作模式，一般来讲，任何工作模式可能像主动模式和省电模式一样分类，这个表格显示了相应的模式各个模块的使能，除了关闭模式外，所有的能通过发送正确的SPI命令动态选择为了优化平均功耗，工作定态模式意味着任何一个“X”模块能够独立可编程为打开或者关闭，没有明显的影响功耗。
SPI电路模块包括SPI接口和寄存器空间，32khzOSC电路模块包括32.768khz，RC振荡器或32.768khz晶体振荡器以及唤醒定时器，AUX（辅助模块）包括温度传感器、通用ADC和电池欠压检测器。
表2-2si4432芯片工作模式
2.2控制接口
逻辑控制为一个SPI接口接收数据而设计的。
SDI、SCLK和NSEL。
本逻辑控制由第四输出引脚从内部寄存器读出数据，一个SPI动作是16位随机数和1位读写（RW）选择位组成。
如图2-3所示，7位地址段支持读出或写入，0-127,8位控制寄存器。
RW选择位决定SPI动作是写或者读动作。
每8个时钟周期内容（地址或数据）锁定入数字模块，SPI接口时序参数显示在下表：
串行接口时序参数表中，SCLK时钟速率适应最大不超过10MHz速率。
图2-3SPI动作图
表2-3：
串行接口时序参数表
SPI也可以用于从RFIC读回数据，为了从RFIC读回数据必须通过跟随寄存器的7位地址把RW位设置为“1”来读取，当RW=“1”时，7位地址段后8位数据段可以忽略，下8个SCLK信号的上升沿跳变将时钟输出选择的寄存器的内容。
选择的寄存器读出的数据将通过SD0引脚得到。
读功能完成之后，取决于时钟输出的最后一位SD0引脚将保持逻辑“1”或者逻辑“0”状态，当NSEL变高电平SD0输出引脚将由内部上拉而拉高。
2.3引脚描述
表2-4引脚功能描述
3远距离无线模块
本模块用中功率发射，标准100mw，分7级可调，成本低，性能高，可靠性高。
采用GFSK调制方式，半双工通讯，在空中实现收发转换、连接、控制自动完成，工作在313/433/490/868/915mhz等免申请频段。
发射工作的电流小于120MA，发射功率最高20db，接收工作的电流小于30MA，休眠电流小于5uA。
接收灵敏度高达—124dbm，天线高度达到2米时，在无干扰的开阔地可达1.5km。
标准配置提供8个信道，可以通过软件进行设置，信道扩展能力强。
通讯协议转换及射频收发切换自动完成，无须人工干预。
3.1模块的工作方式
本无线模块具有三种省电模式：
硬件唤醒模式、串口唤醒模式和空中唤醒模式。
这三种省电模式可以通过软件根据自己的需要来设定。
3.1.1硬件唤醒
硬件唤醒模式时，电台的休眠电流小于10uA。
在使用此工作方式时，用户接口第1脚输入高电平，电台进会进入休眠方式，MCU约1ms进入休眠状态。
当想让电台进入正常的工作状态时，就必须在用户接口的第5脚输入低电平，电台就会进入正常方式，MCU会在10ms内进入工作状态，但是，为了发送数据的稳定性，用户最好延时60ms以上进行数据传输。
详细时序见下图3-1：
图3-1时序图
3.1.2串口唤醒
串口唤醒模式时，电台的休眠电流小于11mA。
在使用串口唤醒工作方式时，用户只需往电台的串行数据接口发送指定协议的数据就可以唤醒工作，受到数据后电台10ms后就能进入正常的工作状态，可以发送数据，当电台的串口在20s内没有数据传送时，电台就会自动进入串口唤醒。
3.1.3空中唤醒
空中唤醒模式下，电台的休眠电流小于20mA。
在使用此工作方式时，电台工作于间断性工作方式，此时电台就进入了空中检测状态，当空中收到一定长度的唤醒数据时，10ms后电台就进入了正常的接收状态。
当电台在接收状态工作20s内，空中没有数据传送时，该模块就会又进入该休眠方式。
3.1.4模块的收发转换
用户设备在接收完模块发来的数据之后，再转入到发送数据，中间要有1ms以上的延时，如图3-2：
图3-21ms延时
表3-1传输延时与波特率的关系
用户在传输数据时，必须要考虑到模块的数据延时，为了保证无线传输的可靠性，本模块加入了FEC（前向错）和其他的编码规则。
当数据从A模块传输到B模块时，中间的传输数据延时与不同的波特率有关，具体见上表3-1：
3.2模块的组网应用及注意事项
模块的通信信道是半双工的，可以完成点对点，一点对多点的通讯。
这两种方式首先要设1个站，其他的为从站，所有站点都必须设置一个唯一的地址。
通信的协调由主站控制，主站采用带地址码的数据帧发送数据或命令，所以从站全部都接收，并将接收到的地址码与本机地址码比较，地址不同的将数据丢掉，地址相同的，就将接收到的数据传送出去。
组网必须保证在任何一个瞬间，同一个频点通信网中只有一个电台处于发送状态，以免相互干扰。
模块每个频段最多可以设置100个信道，所以，可以在一个区域实现多个网络并存。
考虑到空中传输的复杂性，无线数据传送方式应该注意以下几个问题。
1、无线通信中数据的延时。
由于无线通信发射端是从终端设备接收到一定数量的数据后，或者是等待一定的时间没有新的数据才开始发射，无线通信发射端到无线通信接收端存在着这几十到几百毫秒的延迟，具体延迟是由串口速度、空中传输速率和数据包的大小来决定，另外从无线通信接收端到终端设备也需要一定的时间，但是同样的条件下延迟时间是一定的。
2、数据流量的控制。
100mw模块应设置串口速率等于小于空中速率，若不这样，可能会出现数据溢出而导致的数据丢失现象。
3、差错控制。
100mw模块虽然具有很强的抗干扰能力，但是在极端的恶劣条件下，难免出现接收不好或者接收不到的情况。
此时，我们可以通过增加对系统的链路层协议的开发，如增加类似TCP/IP中滑动窗口等功能，就可提高无线网络的可靠性和灵活性。
3.3天线的选择
天线是通信系统的重要组成部分，其性能的好好直接影响通信系统的指标，我们在选择天线是必须要注重其性能。
一般有两个方面，第一是选择天线的类型，第二是选择天线的电气特性。
选择天线类型的意义在于：
所选天线是方向图是否符合系统设计中电波覆盖的要求，选择天线电气性能的意义在于：
所选天线的频率带宽、增益、额定功率等电气指标是否符合系统的设计要求，一般要求天线的阻抗为50欧姆，驻波比小于1.4。
注意，模块正常工作时，请勿触摸模块及天线部分，以便达到最佳传输效果。
图3-3：
常见的各种小天线
4WIFI无线模块接口设计
由于无人机需要将实时画面传输到控制中心，考虑到视频传输占用带宽比较大，为了保证实时画面能及时的传输到控制中心，此次设计特意将视频传输从无线串口的传输中抽出来，启用另外一个USB接口利用WIFI进行传输。
4.1WIFI简介
4.1.1定义
WIFI是一种能够将个人电脑、手持设备（如手机、ipad）等终端以无线方式互相连接的技术。
WIFI是一个无线网路通信技术的品牌，由WIFI联盟所持有。
目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网路产品之间的互通性。
使用IEEE802.11系列协议的局域网就称为WIFI。
WIFI是无线保真的缩写，英文全称为wirelessfidelity，在无线局域网的范畴是指“无线相容性认证”，实质上是一种商业认证，同时也是一种无线联网技术，以前通过网线连接电脑，而现在则是通过无线电波来连网；
常见的就是一个无线路由器，在这个无线路由器的电波覆盖的范围内都可以采用Wi-Fi连接方式进行联网，如果无线路由器连接了一条ADSL线路或者其它的上网线路，则又被称为“热点”。
4.1.2历史
WIFI是IEEE定义的无线网技术，在1999年IEEE官方定义802.11标准的时候，IEEE选择并认定了CSIRO发明的无线网技术是世界上最好的无线网技术，因此CSIRO的无线网技术标准，就成为了2010年WIFI的核心技术标准。
WIFI技术由澳洲政府的研究机构CSIRO在90年代发明并于1996年在美国成功申请了无线网技术专利。
发明人是悉尼大学工程系毕业生DRJohnO’Sullivan领导的一群由悉尼大学工程学毕业生组成的研究
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