基于HOLTEK MCU的无人机PC操作平台
【摘要】近年来，无人机的应用越来越广泛，但遥感控制方式却大大限制了其发展领域。因此将计算机多功能操作平台与无人机便捷性手柄遥感方式相结合将使无人机的应用领域更加开阔。该系统以HOLTEK单片机作为核心控制器，采用CC1100无线通信模块使PC操作平台与无人机之间实现数字式全双工通信，并模拟3D操作界面将无人机当前飞行状态的相关数据返回到操作平台上进行显示从而达到监控的目的，同时还采用串口技术继承了传统控制方式。该设计创造了一个监控平台实现了PC操作平台对无人机的实时控制，不仅可监控飞行姿态，还可采集视频等数据返回到地面操作平台上进行显示，便于今后的发展，使其能运用于更多的领域。
【关键词】无人机；HOLTEK；数字全双工；CC1100
1.引言
随着技术的发展，遥控飞机不仅成为玩具市场中的主导地位，在军事和民用上的应用也越来越广泛。军事上，可作为指战员的“千里眼，顺风耳”；民用上，可作为电信，环保，公安等部门
的有力助手。因此将计算机的多功能与玩具模型相结合的创作构想是前所未有的，通过计算机对其进行操作，利用计算机丰富的资源，使飞机航模的操作更加具有挑战性，同时也具有一个广阔的开拓空间。
2.总体设计
本文以HOLTEK 46系列MCU为主控单片机，配合RF模块CC1100以及其它外围器件（三轴陀螺仪，三轴加速度传感器，自动导航模块），通过上位机无线遥控航模飞机的接收控制电路。通过相关控制，能接收无线遥控发射机的控制指令，使航模飞机既能通过上位机手工控制不同的速度前进，升降，转弯，拍照，摄像等操作，同时可以通过飞机传回的数据有效的在模拟3D界面中显示以便进行更好的操作。
3.工作原理
3.1 总体结构
该系统主要由两个系统构成：地面控制系统、空中执行系统。通过地面控制系统发送控制命令给空中执行系统来控制航模在空中的飞行姿态，同时空中执行系统将飞行姿态实时的反馈
给地面控制系统。
地面控制系统通过USB与上位机通信，上位机发送相应编码给单片机。单片机通过解码后得出相关操作命令，再进行二次编码。地面控制系统将编码通过无线模块发送给空中执行系统。空中执行系统的接收模块接收地面控制系统的编码，空中执行系统的MCU对接收模块接收的编码进行解码，根据解码所得命令对飞机的动力及控制系统进行相应的操作，同时将飞机的实时姿态进行编码，并将编码通过无线模块传送给地面控制系统，地面的控制系统通过解码就可以在上位机的屏幕上显示飞机的飞行姿态。使用全双工的通信方式使得地面控制系统可以实时的监控飞机的飞行姿态，通过观察上位机屏幕上飞机的飞行姿态就可以对飞机进行精准的遥控。
为了使上位机能够更加稳定而精确的无线遥控航模飞机，本系统选择了合理的RF模块以及一套完整的的编码协议，系统结构见图1。
3.2 地面控制系统的无线模块
地面控制系统的主控芯片是HOLTEK MCU，通过串口方式与上位机通信。不同的操作命令
通过串行通信发送给MCU，MCU对接收的指令进行相应的编码并将编码发送给无线模块，最终无线模块将编码以高频电磁波的形式发送给控制执行系统的无线模块。
地面控制系统的无线模块采用改进后的CC1100模块以及相应的PCB电路。工作在全双工模式下，使其误码率保持在1%以下。关于CC1100模块，在无线全双工通信模式下，理论传输距离为500米，通过改进之后可使其通信距离达到2000米。针对数据量传输问题，CC1100具备FIFO型收发缓存器，理论上可以存储64字节的数据量。其主要过程为：上位机发送指令→单片机解析上位机的指令→单片机编码发送给发射机发射→调制→发射机发射编码。
3.3 空中执行系统的无线模块
空中执行系统的无线模块将接收到的编码送给MCU，校验成功后，解码。然后根据所得的指令来控制各IO口产生相应的波形，来控制航模飞机的动力及控制部件。控制电路需要对电机，舵机，电调进行控制，编码和解码统一由HOLTEK 46系列主控单片机来完成。其流程为：接收机解调编码→接收机将解调编码串行发送至单片机→单片机读取校验位→单片机解码并行输出相应控制信号→各执行结构完成相应功能。
3.4 操作平台
上位机作为终端控制平台，采用VB编写的串口通信软件。同时使用VB高级语言设计所创建的3D平面，空中无线模块将采集数据发送给控制平台上，通过3D平面上显示飞机飞行的实时姿态，达实时监控飞机飞行的目的，PC操作界面见图2。
采用上位机作为操作平台，可以实现更多的功能。不仅可以使操作更加灵活方便，还可以实现对无人机的多样化操作并通过上位机的屏幕观测飞机的飞行姿态。本文的无线模块采用的是443MHz的电磁波进行通信的，由此可以创建一个操作平台—具有一定标准协议，包含通信协议，指令代码操作协议的平台。使得多个人可同时控制飞机飞行，如飞机的正副驾驶员都可以对飞机的飞行进行控制。
4.作品设计
4.1 硬件设计
4.1.1 系统描述
1）发射机：电源模块、无线通信模块、电机控制模块、单片机控制模块。上位机与单片机串口相连，单片机I/O口与无线模块(RF)导线相连。
2）无人机（接收机）：电源模块、无线通信模块、电机控制模块、单片机控制模块。
4.1.2 模块化描述
1）电源模块：发射机直接由上位机usb供电，采用LM1117T芯片将usb的5伏电压转换为3.3伏给cc1100无线模块供电。单独由一块9伏电池经LM2940-5稳压成5伏电压为单片机供电，12伏蓄电池经电调变换为三相交流电驱动飞机发动机，电调的5伏输出端为舵机供电。
2）无线通信模块：此模块采用cc1100无线模块，将单工通信模式改为全双工通信模式。
3）电机控制模块：以电调为核心，单片机输出PWM波控制电调输出的交流电压，交流电压的大小控制飞机发动机的转速。
4）单片机主控电路：单片机的PWM控制信号经过TLP521光电隔离器件传到受控端，受控端通过HEF40106芯片将波形整形成规则的矩形波控制舵机的转角和电调输出电压，如图3。
单片机与无线模块(RF)导线相连，电调信号线，舵机信号线分别与单片机I/O口相连。11.1V锂电池给电调供电，电调输出5V稳定直流一部分给单片机供电，另一部分转换成3.3V稳定直流给接收机供电。
4.2 软件设计
软件设计同样也分为两部分：地面无线发射，空中无线接收，如图4、图5。
5.结束语
本文HOLTEK MCU单片机所设计的的无人机PC操作平台，可通过键盘，鼠标已经串口连接的手柄多种方式控制无人机，同时通过全双工无线通信，将无人机上所采集的数据发送到控制平台上，通过控制平台所模拟的3D界面进行显示，使操作者更加形象化的观测飞机飞行姿态。该设计实现了数据的实时传输，使用全双工的通信方式实时监控无人机的飞行姿态，采用远距离无线遥控技术实现操作者远距离遥控。该设计所创建的平台具有很好的可扩展性，可利用现在发达的计算机网络，实现远程的无线遥控等功能。
参考文献
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模块电源是什么意思
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屈刚（1983—），男，四川人，江苏省邮电规划设计院有限责任公司无线通信工程师。

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