钟 方，魏 星
（1.中共江西省委党校江西行政学院，江西 南昌 330108；
2.江西生物科技职业学院，江西 南昌 330200）
21 世纪初期，以电子科学与技术、集成电路设计与集成系统、通信工程为代表的电子信息技术高速发展，标志着人类进入信息化时代。信息化时代的到来，不仅为人类社会经济、科技、文化变革提供了充足驱动力，而且影响了人类的生活方式、思维方式。与此同时，在中国制造2025 政策的背景下，数字虚拟现实、电子和光信息技术、高频技术等新一代电子信息技术不断涌现，电子信息技术的应用范围不断拓展。基于此，本文以无人机为着眼点，探究电子信息技术的应用具有非常重要的意义。
1.1 串口通信技术
串口通信技术是计算机与终端之间信息交互而产生的一种通信技术，特指在一位宽的单条传输线上依据逐位顺序完成发送方、接收方的信息交互[1]。根据信息传输方向差异，无人机串口通信技术可以划分为单工、全双工、半双工几种类型，其中单工串口通信中的数据仅向一个方向传输；
全双工串口通信中的数据可随机传向2 个方向，并在同一时刻发送、接收；
半双工串口通信中的数据可随机向2 个方向传输，但发送、接收时刻不同。
1.2 电子地图技术
电子地图技术是以GMAP.NET 控件为基础，以地图瓦片技术为支撑，完成加载并实现电子地图以及地理编码的技术，可满足Bing Maps、Google 地图、OpenStreetMap 地图加载需求[2]。比如，通过Mercator（等角正切圆柱投影）制作一幅地图图片，进而将存储于地图服务器内的瓦片地图图片拼接为完整的地图，用户可以根据需要通过统一的资源定位符（Uniform Resource Locator，URL）地址获取地形图或卫星地图、全地图等。
1.3 Android 通信技术
Android 通信技术是一种包含基于超文本传输协议（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）通信的技术、基于Socket 通信的技术。前者主要是对应应用层短连接，适用于HTTP 协议，可以满足密码修改、账号注册需求。比如，经Android 发送HTTP请求要求服务器将数据反馈给监控系统等。后者则适用于TCP/IP（传输控制协议/互联网络协议）框架，对应传输层长连接，可以包装复杂通信协议簇，满足用户简单调用函数经网络传输数据要求，比如，后台创建Socket 实例并完成对绑定端口的监听等[3]。
2.1 飞行控制系统
1）系统硬件。微翼15 飞行控制系统主要为无人机姿态自动调节提供数据支持、命令响应，包括响应地面控制系统发送指令、采集无人机传感器数据（如磁通量、加速度、距离、角速度和高度等），经无线向地面控制系统传输采集数据。在集成电子系统设计时，可以经eCAN 模块（增强型控制器局域网），将电源板与控制板相连接。其中微翼15 电源板由1 个数字信号处理器（Digital Signal Processing，DSP）芯片组成，连接有惯性测量单元（ADIS16405）、测距仪（超声波测距仪）等传感器以及电子调速器（Skywalker-40A）、舵机（Futaba S3156）等器件。电源板主要负责信号调制，如将脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号调制为3.3 V，再如将电源信号转换为5.0 V 等。同时电源板模块还可经McBSP 模块完成惯性传感单元加速器、磁通计、陀螺仪等数据采集以及经串口采集测距仪数据。
微翼15 控制板模块由1 个DSP 芯片组成，主要负责经串行接口在短时间内与802.11 b/g 无线局域网相连接，进而经Wi-Fi 模块（Nano WiReach）向控制系统传输飞行状态信息、控制指令，并解析接收指令经eCAN 模块向电源板传输指令。为了实现控制板与Wi-Fi 模块之间的数据信息交互，可以利用控制板SPI（串行外设接口）自带通道，分别与Nano WiReach 相连，由SPI 引脚SPI_PCLK，SPI_RD，SPI_TD，SPI_CS 分别负责为Wi-Fi 模块提供时钟信息、为主设备输入以及从设备输出提供信号、为主设备输出以及从设备输入提供信号、为从设备发送使能提供信号等。
2）功能设计。数据采集模块是微翼15 飞行控制系统的主要功能模块，需要借助具备全双工通信的McBSP（数字信号处理芯片的多通道缓冲串行口）模块进行帧同步脉冲信号、内部时钟信号的极性、大小、相位设置，以便兼容串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SP）I 协议并在主从模式下运行。以基于McBSP 的ADIS16405 数据采集为例，首先可以配置McBSP 复用引脚，包括串行数据接收、串行数据发送、传输帧同步、传输时钟以及信号内部上拉、信号异步输入几个部分。比如“GpioCtrlRegs.GPAMUX1.bit.GPIOx=3”配置功能引脚等。同时考虑到McBSP 内部采样率发生器是数据时钟信号选择装置，可将引脚控制寄存器发送帧/接收帧同步模式位、发送时钟/接收时钟模式位、时钟信号相位/极性均设置为1，引脚控制寄存器输入时钟模式位设置为0，采样器、发生器、寄存器输入时钟模式位、数据时钟分频因子位分别设置为1.64。在此基础上，设定控制寄存器单项帧发送/接收数据长度为16 位，延迟1 位，便于实现外部数据字节从数据接收引脚到接收移位寄存器的完整传输。
数据传输模块是微翼15 飞行控制系统的主要功能模块，本质上是电源板与控制板、控制板与地面控制系统之间信息交互。在硬件电路规划时，可经eCAN 模块、Wi-Fi 模块完成信息交互。前者需要进行复用GPIO 功能引脚的配置。比如“GpioCtrlRegs.GPAMUX2.bit.GPIO17=2”，表示设定eCAN模块的时钟。时钟复位后，可以进行引脚配置更改，即将状态寄存器、更改配置请求使能均设定为1。进而设定波特率[13:0] 复位。完成基本功能配置后，可进行消息发送、消息接收模块的配置。即借助消息控制寄存器，设定发送优先级，并配置发送端ID、方向、字长，发送请求设置位、发送使能位任意一方不为1 时，消息均无法成功发送。若发送优先级相同，则允许号码处于高位的端口优先发送，并等待确认复位准备下一次数据发送。
指令响应功能主要是利用ePWM 现有通道，进行使能内部上拉功能引脚配置。如“GpioCtrlRegs.GPAPUD.bit.GPIOx=0”，借助寄存器完成初始化。一般周期寄存器需要以0 位为起始点，经相位寄存器进行同步输出信号的设定；
而比较控制寄存器需要立即响应，并经计数比较数值设定进行输出波形占空比计算。在0.0%以上、100.0%以内的占空比设置期间，可设定操作模式为“立即”，仅具有1路输出，以便在触发动作事件时启动中断函数，变更计数大小。
2.2 地面控制系统
1）系统结构。根据预先设定任务，规划航迹并执行起飞、入轨平飞、爬升、着陆是微翼15 无人机功能的主要表现。在整个任务完成过程中，地面控制系统主要负责微翼15 无人机机载任务设备监控、规划航迹、保存飞行数据、实时传送航拍视频、显示电子地图等功能。根据上述功能需求，可将微翼15 地面站软件系统分为用户操作层、数据管理层、数据通信层3 个部分。其中微翼15 用户操作层包括监控模块、航迹规划模块等，可以完成界面搭建、工具栏、地图显示等任务；
数据管理层主要负责整个地面系统数据存储分析，比如，存储飞行器飞行数据、航迹规划航点等；
数据通信层主要包括通信连接、数据解析两个部分，负责无人机、地面系统之间数据交互。
2）功能模块。在设计微翼15 用户操作层监控模块时，可以从飞行状态监控、视频监控两个方面进行分析。前者负责完成微翼15 无人机飞行阶段偏航角、速度、航向、高度、电压、GPS 连接状态等信息下传，后者则负责微翼15 飞行器上摄像机拍摄视频播放。根据模块功能需求，首先进行串口通信连接的建立，完成飞行器下传数据、地面站信息交互通道搭建。在串口写入环节，需要判定配置串口连接是否打开，若串口连接，则发送控制指令，并依据协议将数据指令封装为帧，进而通知写有串口线程的数据到达并将数据帧传送到飞行器，完成飞行器状态的控制。鉴于视频数据信息包含量较大，可以根据H.264 编码标准、AAC 编码标准分别将视频、音频压缩为TS 流，在地面站接收后解码播放。
3.1 实现环境
根据微翼15 无人机电子信息技术的应用需求，可以选择Code Composer Studio 集成开发环境，安装Component Manager 工具及XDS510 USB 仿真器，经USB 与计算机标准JTAG 仿真接口相连，并在Windows 10 64 位操作系统内连接DSP 芯片，满足实时数据传输以及芯片内部寄存器数据读写、断点调试要求。工具安装完毕后，启动Code Composer Studio，寻找“Family”工具栏、“Plat”工具栏，从中先后选定C28xxx系列、xds510仿真器。进而选择F28335 XDS510 Emulator，在查询结果内点击加载。
3.2 功能实现
1）系统初始化。在微翼15 系统接通电源后，调整初始引脚位为0，完成系统复位。程序可跳转复位向量0x3FFFC0 位置，面向初始引导函数Init－Boot 调用GPIO 引脚，完成引导加载进程启动。进而在SARAM 内加载28335_RAM_lik.cmd 文件，先后跳转到SARAM，FLASH，完成页之间内存块长度、内存块地质、字段对应内存块划分，完成数据传输、指令响应、数据采集模块串口寄存器初始化以及功能配置。在电源板产生脉冲宽度调制信号并经串口将数据命令发送到电子调速器、舵机、超声波测距仪、惯性传感器后，微翼15 无人机进入飞行状态，控制板可以实时接收电源板采集的数据，并负责向地面控制系统传输，同时接收地面控制系统指令，解算脉冲宽度调制波占空比并将信号传递给电源板，由电源板向舵机、电子调速器传递，完成无人机飞行速度调整。
2）电子地图显示。为实现电子地图显示功能，需要在GMap.NET 框架下调用微翼15COM 组件，并进行Core，WindowsForms，WindowsPresentation核心项目编译。进而在工具栏内添加并选择Control控件，经控件自带Provider 接口调用Bing Map、Google Map 地图源，并完成版权信息初始化、获取地图缩放比，根据规则将生成的图片进行初始化，加载成功后获得地图界面。
综上所述，作为一种具有自主导航飞行能力的飞行器，无人机可以由地面终端经无线数据链完成任务调度、实时监控。飞行控制系统、地面控制系统是无人机系统的重要组成，两个系统的应用均需要电子信息技术的支持。因此，在无人机研究过程中，可根据软件需求，构建用户操作层、数据通信层、数据管理层结构，满足远程操控无人机、实时监控无人机状态、实时展开信息交互等需求。
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