基于NRF9E5射频无线遥控系统的设计

1 引言

现在和未来的飞行机器人设计方向是期望机器人是小巧的、手提的、随身携带,可以像昆虫一样超低空飞行，能够灵活地完成侦察和搜索任务。多年来以军事用途为背景的无人飞行器（UAV—Unmanned Aerial Vehicle）研究一直十分活跃，这些无人飞行器通过地面基站遥控导航，或者通过自身的智能控制算法，来实现其自身的任务规划与航迹生成，完成预定的飞行任务。仿生MAV是整个飞行任务的载体，仿生MAV性能的优劣影响整个飞行系统的性能，目前仿生微飞行器有采用压电驱动、人造肌肉驱动、形状记忆合金（SMA）驱动以及电磁微马达驱动，但目前能够实现扑翼飞行的是采用微马达的驱动方式，其他的驱动形式仅仅属于概念性的设计，从实用的角度来讲，采用电磁微马达的驱动方式更为成熟。仿生微型飞行器采用高能电池供电，通过电磁微马达驱动扑翼，通过形状记忆合金（SMA）来控制仿生微飞行器的运动模态，通过微型传感器来检测仿生微飞行器的位置和姿态，通过微处理芯片对输入信号进行检测，并通过输出去控制相应的执行机构，仿生微飞行器通过射频传输模块建立和地面控制基站的数据链路。

2 遥控系统的结构设计

扑翼微型飞行器的遥控系统主要是为了调节飞行器的扑动频率以及飞行器尾翼的升降、左右摆动；至于飞行器的视频采集、姿态控制及位移控制，目前对其设计还不太现实，因为扑翼微型飞行器还不能实现自主飞行，如果控制系统过于复杂，则不可避免地增大飞行器重量，这些因素不利于飞行器的飞行。整个遥控系统包括两个部分，一部分为系统的发射部分，其主要任务是发送控制命令，通过计算机把控制命令经计算机的串口和射频模块发送出去，完成命令的生成和传输，即通过计算机发送控制命令，传递给nRF9E5芯片，芯片通过射频端发射出去；另一部分为扑翼微型飞行器自身的控制器，这部分的作用是接收地面的控制指令，经控制器来调整微马达的转速，进而来控制扑翼的拍打频率，即把接受到的控制命令传递给nRF9E5芯片，然后由nRF9E5芯片输出PWM脉宽，进而来调整电压输出，从而来控制直流微马达的转速。

nRF9E5采用QFN封装，其尺寸大小为55mm，图1所示为nRF9E5的引脚分配与封装。其中P0口和P1口与8051的对应端口相同，这两个端口是采用CMOS驱动的双向IO口，其方向可通过_DIR和_ALT寄存器的设置来选择端口的功能和数据传输的方向。P0口通过P0_ALT和P0_DIR进行设置，当P0_ALT的对应位为1时，则P0.n具有UART、外部中断、定时器输入或脉宽调制输出功能，其方向由P0_DIR的对应位来确定；P1口的4个引脚MISO、MOSI、EECSN、SCK作为系统上电后EEPROM和系统进行通讯的接口，EECSN为片选信号，SCK为存储器的时钟信号，MOSI、MISO分别为串行数据的输入和输出信号。P1口的控制寄存器分别为SPI_CTRL、P1_ALT、P1_DIR，当SPI_CTRL＝1时，P1口作SPI口使用，当SPI_CTRL＝0时，P1作通用IO口，XC1和XC2分别为系统时钟的输入和输出，ANT1和ANI2为系统射频信号的接口，AIN0～AIN3为模拟信号的输入端口。遥控系统的结构布局如图2所示。



地面射频遥控装置的命令发射端的电路原理图如图3所示，J1为9针的D型插座，连接计算机的串口，控制命令由串口传出，串口连接MAX3232芯片，该芯片为电平转换电路，其主要目的是把计算机15V的高电平转换为MCU可以接受的0～3V的CMOS电平，J1



图3 地面射频遥控装置的命令发射端的电路原理图

插座中引出的引脚为2、3、5分别对应与TXD、RXD、GND，经MAX3232转换后连接nRF9E5的P01、P02，P01和P02分别设置为第二功能的RXD、TXD；25AA320为Microchip公司的串行程序存储器，MCU的运行指令先烧写到此芯片中，当系统上电复位后，程序代码被下载到nRF9E5的内存中；ANT1、ANT2为nRF9E5的射频输出端，射频传输协议集成在射频模块内。



图4 扑翼驱动装置接收端的电路原理图

图4为扑翼驱动装置接收端的电路原理图，该电路图中与nRF9E5相连的串行程序存储器、晶振电路、射频传输电路部分与图3的电路相同，不同的是P0口的P02、P03连接在三极管的基极上（其中一个作备用），P04、P06连接两个发光二极管；三极管采用BE431，三极管的主要作用是为了把MCU输出的PWM放大，增大其输出功率，微马达连接在JP1的5、6引脚或者7、8引脚；LED1、LED2为状态指示灯，用来模拟尾舵的摆动和升降；LM1117为电源管理模块，其作用是为了把4～6V的不稳定电压转换为3.3V的稳定电压，为nRF9E5和其它用电模块提供稳定的供电电源。



图5 命令发射端程序流程



图6 数据接收端程序流程

3 系统的程序设