摘? 要: 隨著微型飛行器測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展，其功能模塊多由IC芯片實(shí)現(xiàn)。采用何種總線方式實(shí)現(xiàn)功能模塊間的連接和協(xié)作將極大地影響測(cè)控系統(tǒng)的布局和器件的選擇。在選擇測(cè)控系統(tǒng)的總線時(shí)，一方面要保障系統(tǒng)的性能，另一方面要結(jié)合微型飛行器本身的特點(diǎn)。對(duì)于不同硬件基礎(chǔ)的測(cè)控系統(tǒng)，其總線的設(shè)計(jì)過(guò)程和要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是不同的。分別以基于單片機(jī)系統(tǒng)和芯片系統(tǒng)的測(cè)控電路為例，說(shuō)明不同總線在測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞: 微型飛行器? 測(cè)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(duì)有效載荷的體積和重量有嚴(yán)格要求，其測(cè)控系統(tǒng)也向著微型化的方向發(fā)展，測(cè)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(cè)控功能的介質(zhì)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(cè)控系統(tǒng)的布局。測(cè)控系統(tǒng)的芯片化和總線技術(shù)的進(jìn)步是微型飛行器測(cè)控系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)并不斷發(fā)展的動(dòng)力，也是其測(cè)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(jī)系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)和正在研究中的芯片系統(tǒng)作為設(shè)計(jì)測(cè)控系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。但是隨著飛行器測(cè)控系統(tǒng)的微型化，嵌入式微機(jī)系統(tǒng)由于體積和重量上的原因?qū)⒉辉龠m用，單片機(jī)系統(tǒng)(其中包括DSP系統(tǒng))是目前測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流，而集成度更高的測(cè)控芯片系統(tǒng)將成為微型飛行器測(cè)控系統(tǒng)發(fā)展的方向。本文將根據(jù)微型飛行器測(cè)控系統(tǒng)的特殊要求，說(shuō)明基于單片機(jī)系統(tǒng)的總線設(shè)計(jì)特色以及一般性問(wèn)題的解決方案，并介紹內(nèi)部總線在測(cè)控芯片系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)需要解決的問(wèn)題。

1 微型飛行器測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)成和特點(diǎn)

　　總線的選擇和設(shè)計(jì)離不開(kāi)具體的應(yīng)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(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)^[1]。微型飛行器測(cè)控系統(tǒng)是用來(lái)接收、處理和發(fā)送微型飛行器中信號(hào)和數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，測(cè)控系統(tǒng)一方面要完成特定狀態(tài)下相關(guān)參數(shù)的測(cè)量，另一方面要對(duì)飛行器進(jìn)行控制。從功能上可以將測(cè)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(cè)控系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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　　與常規(guī)的飛行器測(cè)控系統(tǒng)相比，微型飛行器測(cè)控系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上有以下特點(diǎn):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(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā);②微型飛行器本身尺寸很小，所以各個(gè)模塊和IC芯片之間的距離不能很遠(yuǎn);③測(cè)控系統(tǒng)是單主機(jī)結(jié)構(gòu);④微型飛行器的重量小、響應(yīng)快，數(shù)據(jù)傳輸要求實(shí)時(shí)和高速。從測(cè)控系統(tǒng)的信號(hào)上看，各種芯片所處理的信號(hào)是不同的，例如，控制舵機(jī)的指令信號(hào)多是脈寬調(diào)制信號(hào)，而傳感器的信號(hào)又有數(shù)字類(lèi)和模擬類(lèi)兩種。此外，還有視頻系統(tǒng)的圖像信號(hào)等。這些信號(hào)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(hào)和數(shù)據(jù)的流向是單向的，傳感器系統(tǒng)提供信號(hào)和數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)微控制器運(yùn)算后，成為控制指令和測(cè)試數(shù)據(jù)，分別輸出到不同的執(zhí)行器。這些特點(diǎn)使得微型飛行器測(cè)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(shè)計(jì)測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，首先要根據(jù)測(cè)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上的要求，分析其信號(hào)和數(shù)據(jù)的種類(lèi)以及在處理和傳輸上的特點(diǎn)，規(guī)劃信號(hào)流程，從而保證測(cè)控功能的完成。然后根據(jù)信號(hào)流程選擇總線方式和芯片器件。作為信號(hào)和數(shù)據(jù)的載體和連接各個(gè)器件的橋梁，總線不僅要實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能芯片之間信號(hào)和數(shù)據(jù)的共享，而且要保證數(shù)據(jù)和信號(hào)傳輸?shù)母咚傩院涂煽啃浴?/P>

2 總線的選擇和應(yīng)用

　　在測(cè)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(cè)控系統(tǒng)也大相徑庭。具體到微型飛行器測(cè)控系統(tǒng)中，還需要考慮實(shí)際的使用要求和被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)，包括:

　　· 測(cè)控系統(tǒng)體積和重量的要求;

　　· 微型飛行器測(cè)控系統(tǒng)本身的特點(diǎn);

　　· 測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求?？偩€可分為內(nèi)部總線和外部總線。本文中內(nèi)、外部總線是按照被連接測(cè)控系統(tǒng)各個(gè)功能模塊進(jìn)行劃分的。從這個(gè)意義上，基于單片機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)采用的是外部總線方式，而測(cè)控芯片系統(tǒng)采用的是內(nèi)部總線方式。

2.1 外部總線

　　就目前的硬件水平，測(cè)控系統(tǒng)的各個(gè)功能分別由各自獨(dú)立的芯片完成。主控制器一般采用單片機(jī)，通過(guò)外部總線和外圍功能模塊共同形成單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)，這就使得外部總線大量應(yīng)用于基于單片機(jī)系統(tǒng)的微型飛行器測(cè)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(diǎn)和缺點(diǎn)，其比較結(jié)果如表1所示(表中的性能只是相對(duì)而言)。結(jié)合微型飛行器測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，并考慮系統(tǒng)信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群涂煽啃?，一般情況下，測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)盡可能地采用并行總線系統(tǒng)。

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　　在標(biāo)準(zhǔn)的并行總線中，數(shù)據(jù)信息、地址信息和控制信息獨(dú)立使用各自的總線，又稱為三總線結(jié)構(gòu)。考慮到微型飛行器測(cè)控系統(tǒng)是單主機(jī)結(jié)構(gòu)，在使用并行總線時(shí)，一種方法是利用地址和控制總線對(duì)特定的外圍芯片進(jìn)行操作，這些外圍芯片能處理一些變化的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)后，存放在自身的存儲(chǔ)器中。微控制器通過(guò)片選信號(hào)直接訪問(wèn)存儲(chǔ)器，獲得信號(hào)數(shù)據(jù)。例如測(cè)控系統(tǒng)處理控制指令的過(guò)程，就是單片機(jī)通過(guò)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(gè)功能模塊不僅僅是存儲(chǔ)器和外設(shè)，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(gè)微控制器的數(shù)據(jù)共享問(wèn)題。在實(shí)際的應(yīng)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(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例，如圖2所示。

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　　圖2中，外圍單片機(jī)的數(shù)據(jù)先寫(xiě)到一個(gè)多口RAM的不同單元中，如CY7C136芯片等。然后主單片機(jī)可以及時(shí)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(gè)問(wèn)題:一是多個(gè)微控制器對(duì)一個(gè)多口RAM讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的操作沖突，即對(duì)RAM中的同一個(gè)單元的同時(shí)讀或同時(shí)寫(xiě)的操作是不能被允許的，但是在微型飛行器測(cè)控系統(tǒng)中信號(hào)和數(shù)據(jù)的流向是單向的，在很大的程度上解決了這個(gè)問(wèn)題;第二個(gè)問(wèn)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(gè)控制指令周期內(nèi)，即主控制器從RAM中獲得的數(shù)據(jù)必須能反映當(dāng)前控制指令下的直升機(jī)姿態(tài)。由于微型飛行器的單主機(jī)結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)主控制器擴(kuò)展外圍的延時(shí)電路來(lái)保證所獲得的數(shù)據(jù)均在同一個(gè)指令周期中。綜上所述，使用多口RAM成為在測(cè)控系統(tǒng)中連接多個(gè)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(cè)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量大，傳輸速度要求高，應(yīng)盡量使用并行總線。但這并不意味著并行總線是設(shè)計(jì)測(cè)控系統(tǒng)的唯一方法。在保證測(cè)控性能的前提下，使得系統(tǒng)在重量和體積上最小才是設(shè)計(jì)的目的。對(duì)一些已經(jīng)提供了串口，并且對(duì)傳輸?shù)乃俣纫蟛缓芨摺鬏敂?shù)據(jù)量較少的傳感器，如HMR3000數(shù)字羅盤(pán)，采用串行總線有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):一是串行總線連接線少，總線結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì);二是串行接口器件的安裝、拆卸都非常方便，并且對(duì)總線上的其它集成芯片沒(méi)有影響。所以在設(shè)計(jì)總線時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際的情況綜合使用不同的總線。在圖2中，HMR3000數(shù)字羅盤(pán)與外圍單片機(jī)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(nèi)部總線

　　內(nèi)部總線是連接芯片內(nèi)部各個(gè)功能模塊的總線系統(tǒng)。內(nèi)部總線傳輸速度快，性能穩(wěn)定。要將內(nèi)部總線應(yīng)用到微型飛行器的測(cè)控系統(tǒng)中，首先要將各個(gè)功能模塊集成到一個(gè)芯片上，形成一個(gè)芯片系統(tǒng)(SYSTEM ON CHIP)。內(nèi)部總線的設(shè)計(jì)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(nèi)的布局。所以，內(nèi)部總線在測(cè)控系統(tǒng)中的使用是和芯片系統(tǒng)的發(fā)展密切相關(guān)的。

　　從硬件電路上說(shuō)，測(cè)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(huì)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(cè)控系統(tǒng)必須向著微型化的方向發(fā)展。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，在微控制器中將不僅僅是CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器等常規(guī)部件，對(duì)于微型測(cè)控系統(tǒng)而言，微控制器還需要集成特殊功能存儲(chǔ)器、通信控制器、AD/DA、視頻信號(hào)處理器、信號(hào)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(guò)內(nèi)部總線形成一個(gè)芯片系統(tǒng)^[3～4]，使得對(duì)微型飛行器測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)入到芯片級(jí)。目前對(duì)芯片系統(tǒng)的研究多集中在對(duì)專用芯片的開(kāi)發(fā)上。圖3所示的TC35186F即為一個(gè)多模塊化的芯片系統(tǒng)。內(nèi)部總線就是要將圖中的功能模塊連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)和數(shù)據(jù)的共享。

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　　盡管內(nèi)部總線的性能要高于外部總線，但在現(xiàn)階段的測(cè)控系統(tǒng)中，單片機(jī)系統(tǒng)及外部總線卻是設(shè)計(jì)測(cè)控系統(tǒng)的主流，芯片系統(tǒng)并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。這主要是因?yàn)槲⒖刂破?、微傳感器、微?zhí)行器以及信號(hào)處理技術(shù)在芯片系統(tǒng)中的使用還存在下面的問(wèn)題，即用內(nèi)部總線實(shí)現(xiàn)測(cè)控功能時(shí)面臨的問(wèn)題:

　　·由于各個(gè)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(shè)計(jì)上，就關(guān)系到模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的融合技術(shù)。

　　·將微傳感器和微執(zhí)行器集成到芯片系統(tǒng)中會(huì)嚴(yán)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(guān)的就是如何實(shí)現(xiàn)微機(jī)電系統(tǒng)接口的設(shè)計(jì)。

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

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

　　采用總線方式將各個(gè)功能模塊連接成為一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)，可以有效地提高各個(gè)功能模塊的工作效率，保證信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群涂煽啃?。并且由于總線技術(shù)的進(jìn)步，擴(kuò)展了測(cè)控系統(tǒng)在功能器件、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、信號(hào)規(guī)劃等方面的選擇。從總線設(shè)計(jì)的角度看目前微型飛行器測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，會(huì)發(fā)現(xiàn)各個(gè)功能模塊的選擇不是孤立的，而是要根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)在體積、重量、數(shù)據(jù)傳輸上的要求進(jìn)行綜合考慮。

　　從發(fā)展的角度看，總線的發(fā)展實(shí)際上是和芯片設(shè)計(jì)與制造同步的。芯片的制造和設(shè)計(jì)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(cè)控系統(tǒng)也將從各自獨(dú)立的功能模塊發(fā)展到芯片系統(tǒng)。同樣的，測(cè)控系統(tǒng)的總線也將從連接相互獨(dú)立的芯片發(fā)展到連接芯片系統(tǒng)內(nèi)部的各功能模塊，即從外部總線發(fā)展到內(nèi)部總線。

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