吳 瑕，郎玉慶

(1.沈陽(yáng)工學(xué)院 信息與控制學(xué)院，遼寧 撫順 113122；2.沈陽(yáng)市政集團(tuán)有限公司,沈陽(yáng) 110021)

0 引言

STM32是一類功耗能力極低的半導(dǎo)體單片機(jī)芯片，以ARM Cortex-M4處理器內(nèi)核作為核心搭建設(shè)備，可在與其它執(zhí)行元件共用外設(shè)、軟件與引腳結(jié)構(gòu)的情況下，大幅提升監(jiān)控主機(jī)設(shè)備的應(yīng)用靈活性。一般情況下，STM32單片機(jī)內(nèi)部包含可變靜態(tài)存儲(chǔ)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(gè)連接結(jié)構(gòu)[1]。其中，可變靜態(tài)存儲(chǔ)器具有多種數(shù)據(jù)支持模式，可在多信息量并存的條件下，將NVIC內(nèi)核調(diào)試至最為緊密的連接狀態(tài)。嵌套矢量中斷控制器可同時(shí)提供多個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)選擇條件，可在中斷入口退出連接狀態(tài)后，快速切斷監(jiān)控主機(jī)與執(zhí)行設(shè)備之間的物理連接關(guān)系。外部中斷/事件控制器隸屬于STM32單片機(jī)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(zhuǎn)化成既定的電氣負(fù)載輸出形式[2-3]。

在電氣化負(fù)載環(huán)境中，隨無(wú)人機(jī)飛行距離的增加，傳輸電子量會(huì)逐漸偏離最初的預(yù)設(shè)軌道，從而造成電子負(fù)載性能的持續(xù)性下降。為避免上述情況的發(fā)生，傳統(tǒng)嵌入式電信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載監(jiān)控程序的編碼處理。但此系統(tǒng)在階段性時(shí)間內(nèi)所能承擔(dān)的監(jiān)控電子量水平相對(duì)有限，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)電子負(fù)載量等級(jí)的有效促進(jìn)?；诖艘隨TM32芯片，設(shè)計(jì)一種新型的無(wú)人機(jī)電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在保留芯片結(jié)構(gòu)體原因執(zhí)行能力的基礎(chǔ)上，建立電氣信號(hào)發(fā)生電路、以太網(wǎng)模塊等多個(gè)必要的硬件執(zhí)行結(jié)構(gòu)，并借助USB驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)任務(wù)有線級(jí)條件的實(shí)時(shí)設(shè)定。

1 基于單片機(jī)負(fù)載控制的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件選型

基于單片機(jī)負(fù)載控制的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件選型包含電氣信號(hào)發(fā)生電路、負(fù)載網(wǎng)絡(luò)控制器、無(wú)人機(jī)以太網(wǎng)模塊等多個(gè)硬件設(shè)備連接操作流程，具體研究方法如下。

1.1 電氣信號(hào)發(fā)生電路

電氣信號(hào)發(fā)生電路是無(wú)人機(jī)電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中一個(gè)極為重要的電子處理環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)電子負(fù)載在不同輸出形式下的準(zhǔn)確連接，一般情況下，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要不定時(shí)對(duì)被檢測(cè)的無(wú)人機(jī)電源、負(fù)載電子、負(fù)載輸入/輸出電壓(電流)進(jìn)行總線端的實(shí)時(shí)采樣。由于需要對(duì)STM32單片機(jī)中的電力與電壓進(jìn)行同步的虛化模擬，并在保持良好輸出精度的情況下，對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，整個(gè)電氣信號(hào)發(fā)生電路內(nèi)只存在LM35S(無(wú)人機(jī)電信號(hào)發(fā)生設(shè)備)一個(gè)核心控制裝置[4]。LM35S型無(wú)人機(jī)電信號(hào)發(fā)生設(shè)備采用先進(jìn)的iCMOS制造工藝，可將無(wú)人機(jī)主機(jī)的高速模擬電路與數(shù)字邏輯電路完美集成起來(lái)，且在整個(gè)處理過(guò)程中始終遵循小尺寸封裝原則，能夠在提供良好電氣負(fù)載供應(yīng)量的同時(shí)，避免STM32單片機(jī)對(duì)無(wú)人機(jī)主機(jī)造成的電子抑制性影響。但由于集成度水平相對(duì)較高，LM35S元件必須采取低電子采樣速率的執(zhí)行標(biāo)注，若不考慮電氣負(fù)載量對(duì)核心監(jiān)控主機(jī)帶來(lái)的電量抑制問(wèn)題，其采樣速率只能達(dá)到250 kS/s，但整個(gè)采用過(guò)程中的電子負(fù)載精度始終保持為16位[5]。

圖1 電氣信號(hào)發(fā)生電路示意圖

1.2 負(fù)載網(wǎng)絡(luò)控制器

無(wú)人機(jī)電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)控制器借助以太網(wǎng)向PCB監(jiān)控板發(fā)送TCP/IP型電氣信息數(shù)據(jù)包，電氣信號(hào)發(fā)生電路接受到以太網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)來(lái)的TCP/IP數(shù)據(jù)包后，可直接從中解析出與無(wú)人機(jī)控制相關(guān)的數(shù)據(jù)指令，再根據(jù)文件數(shù)據(jù)包中應(yīng)用指令的編寫形式，確定后續(xù)的控制執(zhí)行操作，并將監(jiān)控控制結(jié)果以原有TCP/IP數(shù)據(jù)包的形式反饋至無(wú)人機(jī)應(yīng)用主機(jī)中，以便實(shí)現(xiàn)在STM32單片機(jī)中實(shí)時(shí)掌握電氣負(fù)載設(shè)備的最新連接狀態(tài)[6-7]。在無(wú)人機(jī)監(jiān)控體系中，負(fù)載網(wǎng)絡(luò)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(jī)芯片包含相同的軟硬件執(zhí)行結(jié)構(gòu)。硬件執(zhí)行部分能夠直接組成負(fù)載網(wǎng)絡(luò)控制器的物理基礎(chǔ)，而軟件運(yùn)行部分則由電氣信號(hào)發(fā)生電路與以太網(wǎng)模塊同時(shí)供應(yīng)。完整的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)控制器由監(jiān)控主機(jī)、以太網(wǎng)絡(luò)、單片機(jī)設(shè)備、負(fù)載服務(wù)器等多個(gè)結(jié)構(gòu)共同組成，各部分元件彼此協(xié)調(diào)相互配合，共同實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體主機(jī)的執(zhí)行與應(yīng)用。

圖2 負(fù)載網(wǎng)絡(luò)控制器結(jié)構(gòu)圖

1.3 以太網(wǎng)模塊

以太網(wǎng)接口的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)嵌入式微處理器、外圍協(xié)議芯片和其它輔助電路結(jié)構(gòu)體來(lái)提供負(fù)載監(jiān)控設(shè)備所需的接口組織，最終實(shí)現(xiàn)模塊主機(jī)的核心數(shù)據(jù)通信功能。對(duì)于不同搭配協(xié)議芯片，以太網(wǎng)模塊能夠選擇不同的接口連接形式，且為使電氣信號(hào)發(fā)生電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，模塊內(nèi)應(yīng)選擇負(fù)載多個(gè)MAC控制器接口的芯片設(shè)備，STM32單片機(jī)能夠完全滿足上述設(shè)計(jì)需求，且其內(nèi)部自帶了DMA控制器、MAC控制器兩種應(yīng)用結(jié)構(gòu)[8]。DMA控制器負(fù)責(zé)處理無(wú)人機(jī)電氣負(fù)載單元中的全路徑傳輸問(wèn)題，在讀取系統(tǒng)中以太網(wǎng)幀隊(duì)列信息的同時(shí)，彈出一個(gè)獨(dú)立的幀狀信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)，再直接傳遞給MAC內(nèi)核設(shè)備。當(dāng)最后一個(gè)幀狀信號(hào)被傳輸至以太網(wǎng)接口時(shí)，無(wú)人機(jī)主機(jī)中的MAC核會(huì)被負(fù)載網(wǎng)絡(luò)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(wèn)系統(tǒng)的PCB監(jiān)控板，并可在監(jiān)控負(fù)載接口的配合下，將無(wú)人機(jī)電氣信號(hào)轉(zhuǎn)存至外置PHY設(shè)備結(jié)構(gòu)體之中[9]。

圖3 無(wú)人機(jī)以太網(wǎng)模塊結(jié)構(gòu)圖

1.4 PCB監(jiān)控板

STM32單片機(jī)作為無(wú)人機(jī)電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心控制單元，應(yīng)盡量將其放置在PCB監(jiān)控板件的中央，主控制結(jié)構(gòu)采用STM32F 107VCT6芯片與物理層PHY設(shè)備相連的應(yīng)用形式，可在以太網(wǎng)模塊的作用下，將無(wú)人機(jī)負(fù)載信息數(shù)據(jù)的傳輸速率擴(kuò)大至50 MHz，在傳輸過(guò)程中，所有數(shù)據(jù)線都應(yīng)盡量保持平行的連接形式，因此在PCB監(jiān)控板設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)將兩個(gè)原始芯片置于平行放置狀態(tài)，并將其擺放在板件的中央位置處[10-11]。STM32F 107VCT6芯片被用來(lái)存儲(chǔ)與PCB監(jiān)控板相關(guān)的設(shè)置參數(shù)信息，一般位于控制器內(nèi)側(cè)，在無(wú)人機(jī)行進(jìn)過(guò)程中，電源模塊會(huì)對(duì)電氣負(fù)載信號(hào)產(chǎn)生噪聲干擾，因此電氣信號(hào)發(fā)生電路只能連接在PCB監(jiān)控板的右下端組織單元中[12]。由于STM32單片機(jī)執(zhí)行作用的影響，PCB監(jiān)控板在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中只能維持原始的工作狀態(tài)，在線性穩(wěn)壓電源反應(yīng)速度極快的情況下，PCB監(jiān)控板元件工作產(chǎn)生的噪聲值較低、輸出波紋量較小。

1.5 PLC擴(kuò)展負(fù)載模塊

無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)定設(shè)置70個(gè)控制負(fù)載結(jié)構(gòu)。其中，20個(gè)關(guān)鍵飛行負(fù)載、30個(gè)關(guān)鍵任務(wù)負(fù)載、20個(gè)非關(guān)鍵負(fù)載，每個(gè)負(fù)載設(shè)備都接受STM32單片機(jī)的集中化控制與調(diào)度。本系統(tǒng)PLC擴(kuò)展負(fù)載模塊的I/O信號(hào)如表1所示。

表1 無(wú)人機(jī)電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)I/O信號(hào)表

分析表1可知，無(wú)人機(jī)負(fù)載監(jiān)控信號(hào)數(shù)字量輸入共156路，輸出共87路；無(wú)人機(jī)負(fù)載監(jiān)控信號(hào)模擬量輸入共14路，輸出共3路。因此，無(wú)人機(jī)負(fù)載信號(hào)模塊選擇需求如下：32位電氣數(shù)字量輸入模塊共5塊、32位電氣數(shù)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(wú)人機(jī)電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

按照USB驅(qū)動(dòng)程序連接、STM32型移植協(xié)議設(shè)置、無(wú)人機(jī)電氣通信組態(tài)分析 、監(jiān)控任務(wù)有線級(jí)設(shè)定的處理流程，完成系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境搭建，再結(jié)合相關(guān)硬件設(shè)備元件，實(shí)現(xiàn)基于STM32無(wú)人機(jī)電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

2.1 STM32型移植協(xié)議

(1)

2.2 無(wú)人機(jī)電氣通信組態(tài)

無(wú)人機(jī)電氣通信組態(tài)的作用是控制STM32單片機(jī)中的電流傳輸形式。當(dāng)流過(guò)無(wú)人機(jī)電氣負(fù)載設(shè)備的電流量過(guò)大時(shí)，通信組態(tài)元件可自發(fā)向系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)發(fā)送跳閘執(zhí)行信號(hào)。依據(jù)已連接電氣通信組態(tài)的狀態(tài)及來(lái)自STM32單片機(jī)部件的負(fù)載應(yīng)用信息可知，整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的邏輯部件與控制部件可同時(shí)接收與無(wú)人機(jī)設(shè)備相關(guān)的SSPC狀態(tài)信息，并可根據(jù)電流感受部件中跳閘信號(hào)的連接形式，判定STM32型移植協(xié)議連接行為的應(yīng)用可行性[15-16]。大多數(shù)情況下，無(wú)人機(jī)電氣通信元件的組態(tài)連接行為可用“0”與“1”進(jìn)行描述，且不同數(shù)字連接形式代表的負(fù)載監(jiān)控狀態(tài)也會(huì)有所不同。表2列舉了幾種常見的無(wú)人機(jī)電氣通信組態(tài)連接形式。

表2 無(wú)人機(jī)電氣通信組態(tài)連接形式

2.3 監(jiān)控任務(wù)有線級(jí)設(shè)定

在基于STM32單片機(jī)進(jìn)行負(fù)載監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)人機(jī)負(fù)載控制主機(jī)功能能否順利完成，很大程度上取決于能否合理的劃分監(jiān)控任務(wù)。在進(jìn)行電氣負(fù)載任務(wù)劃分時(shí)，不能只從整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控功能進(jìn)行考慮，還需要考慮系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的執(zhí)行特殊性。若監(jiān)控任務(wù)有線級(jí)設(shè)定的過(guò)于細(xì)致，無(wú)人機(jī)主機(jī)需要進(jìn)行頻繁的任務(wù)切換，會(huì)大大降低電氣負(fù)載元件的運(yùn)行效率；若監(jiān)控任務(wù)有線級(jí)設(shè)定的過(guò)大，會(huì)造成電氣負(fù)載CPU資源的過(guò)度浪費(fèi)，其它監(jiān)控人物監(jiān)控任務(wù)的執(zhí)行也需要較長(zhǎng)的等待時(shí)間[17]。因此，在劃分監(jiān)控任務(wù)有線級(jí)條件時(shí)，首先要分析各個(gè)無(wú)人機(jī)電氣負(fù)載元件之間的連接關(guān)系，盡量選用不同的監(jiān)控任務(wù)實(shí)現(xiàn)STM32單片機(jī)的執(zhí)行需求；其次根據(jù)監(jiān)控任務(wù)的功能級(jí)條件為其分配不同的優(yōu)先級(jí)權(quán)限。設(shè)λ代表STM32型移植協(xié)議的實(shí)際編碼系數(shù)，ξ1、ξ2代表兩個(gè)不同的無(wú)人機(jī)電氣負(fù)載周期值，聯(lián)立公式(2)，可將系監(jiān)控任務(wù)的有線級(jí)設(shè)定條件表示為：

(2)

3 實(shí)驗(yàn)分析

驗(yàn)證基于STM32無(wú)人機(jī)電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。將無(wú)人機(jī)主體飛行結(jié)構(gòu)置于距離核心參考系35km的飛行軌道之中，在既定實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，不施加任何外力作用，僅依靠無(wú)人機(jī)主機(jī)的負(fù)載能力進(jìn)行飛行任務(wù)，為獲得準(zhǔn)確的電氣負(fù)載數(shù)值，與實(shí)驗(yàn)組無(wú)人機(jī)主機(jī)匹配的芯片搭載基于單片機(jī)負(fù)載控制的無(wú)人機(jī)電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，與對(duì)照組無(wú)人機(jī)主機(jī)匹配的芯片搭載嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

控制實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間保持一致，在完成飛行任務(wù)后，分別將兩組電氣負(fù)載芯片中的記錄數(shù)據(jù)導(dǎo)入相同監(jiān)控主機(jī)中。UIS指標(biāo)能夠描述無(wú)人機(jī)電氣設(shè)備所能承擔(dān)的電子負(fù)載量等級(jí)水平，一般情況下，UIS指標(biāo)數(shù)值越大，無(wú)人機(jī)電氣設(shè)備所能承擔(dān)的電子負(fù)載量等級(jí)水平也就越高，反之則越低。圖4反應(yīng)了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組UIS指標(biāo)數(shù)值的具體變化情況。

圖4 UIS指標(biāo)對(duì)比圖

分析圖4可知，實(shí)驗(yàn)組UIS指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)前期的數(shù)值水平較高、在實(shí)驗(yàn)后期的數(shù)值水平較低；對(duì)照組UIS指標(biāo)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)值變化狀態(tài)則相對(duì)較為平均。從極限值的角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)組最大值達(dá)到了64.1%，與對(duì)照組最大值14.8相比，上升了49.3%；實(shí)驗(yàn)組最小值達(dá)到了3.6%，與對(duì)照組最小值10.2%相比，下降了6.6%，由于差值水平相對(duì)較低，因此并不能掩蓋實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)在數(shù)據(jù)最大值方面的優(yōu)勢(shì)。

以15 min作為一個(gè)監(jiān)控時(shí)長(zhǎng)，分別記錄在4個(gè)單位時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組電子量監(jiān)控值的實(shí)際變化情況，如表3所示。

表3 電子量監(jiān)控值對(duì)比表

分析表3可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組電子量監(jiān)控值基本保持先上升、再小幅波動(dòng)的變化狀態(tài)，全局最大值達(dá)到了7.4×1011T。對(duì)照組電子量監(jiān)控值則在一定時(shí)間的穩(wěn)定狀態(tài)后，開始持續(xù)性上升，全局最大值僅能達(dá)到5.2×1011T，與實(shí)驗(yàn)組極值相比，下降了1.8×1011T。

綜上可知，隨著所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用，單位時(shí)間內(nèi)的電子量監(jiān)控值出現(xiàn)了明顯上升的變化趨勢(shì)，無(wú)人機(jī)電氣設(shè)備所承擔(dān)的電子負(fù)載量等級(jí)水平也得到了明顯促進(jìn)，可在深入分析無(wú)人機(jī)電氣應(yīng)用環(huán)境中電子負(fù)載性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸電子量的合理性監(jiān)管與控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

在STM32單片機(jī)芯片的作用下，無(wú)人機(jī)電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電氣信號(hào)發(fā)生電路結(jié)構(gòu)得到有效完善，且PLC擴(kuò)展負(fù)載模塊、PCB監(jiān)控板等設(shè)備元件之間的連接應(yīng)用功能也逐漸趨于穩(wěn)定。從實(shí)用性角度來(lái)看，UIS指標(biāo)與電子量監(jiān)控值的增大，能夠促進(jìn)無(wú)人機(jī)電氣設(shè)備所承擔(dān)電子負(fù)載量等級(jí)水平的提升，可有效解決與負(fù)載電子量相關(guān)的合理性監(jiān)管與控制問(wèn)題。