基于MSP430的舵机控制系统设计

0引 言
无人机是一种由动力驱动、机上无人驾驶、可重复使用的航空器的简称。在无人机系统中，采用PWM波信号控制的舵机是重要的执行机构，它是无人机控制动作的动力来源。为便于系统扩展和升级[1.2]，在飞控系统中往往采用分布式策略，将舵机的控制部分作为一个独立单元进行设计，称为舵机控制系统。
传统产生PWM波的方法是通过大量的分立原件来实现的．所产生的脉冲频率和宽度往往不是很准确，很难做到对舵机的精确控制。另外，利用CPLD或FPGA产生PWM波已在很多场合得到应用，依靠CPLD或FPGA特有的并行处理能力和大量的1/0接口，可以同时控制几十甚至上百个舵机同时工作，但CPLD或FPGA生成PWM波时，并不具备事务处理能力，实际应用中还需要MCU配合工作，加之成本高，开发设备昂贵，极大的限制了它的应用范围。
由于单片机具有性能稳定、编程灵活、精度高、价格低廉等特点，用它产生PWM波在实际中得到了广泛应用。本文给出了一种新颖的利MSP430单片机利用自带的定时器产生PWM1j~[3.4]的方法，成本低，性能稳定，并成功应用于实践。
1总体介绍
飞行控制系统总体框架如图1所示，整个飞控系统是由飞控计算机、舵机控制系统、传感器系统、GPS、机载电源及地面站系统组成。在飞行过程中，无人机一方面通过传感器系统和GPS获得飞行姿态和航向的实时参数，并通过无线电传回地面；另一方面随时按收地面上传的遥控指令。以这些信息为基础，经过主控计算机控制律解算，按照一定协议输出控制指令到舵机控制系统[5,6]，再经由舵机控制系统输出相应的信号控制舵机的偏转，从而实现对无人机飞行姿态的控制。

2 舵机控制系统硬件设计
2.1系统硬件结构
由于无人机采用燃料电池作为能源，所以要求机载设备尽可能功耗低、体积小、重量轻，这样既可以降低损耗又能提高系统稳定性和抗干扰能力。基于以上思想，设计了以田公司的MSP430F149单片机[7，9]为核心的舵机控制系统，该系统主要由CPU控制单元、串口通信单元、脉冲信号处理单元、电源等硬件电路组成，系统结构如图2所示。

2.2舵机简介
1)舵机的构造与工作原理
舵机主要是由外壳、小型直流电动机、减速齿轮、位置检测器和控制电路板所构成。其工作原理如图3所示，其中，直流电动机作为驱动器产生动力源[10]，运动由减速齿轮减速，传递给输出轴和舵盘，在输出轴后端连接有电位计，用以检测当前位置，并将此值与驱动信号端口发送来的位置信号进行比较，通过控制电路，将差值放大并由电机执行操作，实现位置伺服[11]。
2)舵机的控制
舵机是无人机飞行控制的执行机构，也是本系统的控制对象，无人机一般装备有5个舵机，分别用来控制油门、副翼、升降舵、螺距和尾舵[12]。标准的舵机由一个宽度可调昀周期性方波脉冲信号即PWM波控制，以本系统采用的日本Futaba公司生产的S3003舵机为例，其脉冲周期为20 ms，中心脉宽为l 5 ms，对应0度，调节范围为±1 ms。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴角度相应发生- 90度到90度内的线性改变，并通过连杆拉动舵面运动，从而控制无人机的飞行姿态，舵机输入脉冲与舵偏角的对应关系如图4所示。


3舵机控制系统软件设计
3.1可调PWM信号的实现
I)PWM信号的产生
由舵机的工作原理可知，要实现对舵机的控制，实际上就是能给它提供一个可控制的PWM信号。本系统所需的PWM信号是由单片机定时器B的时钟模块产生，该时钟模块有4种计数功能选择及8种输出方式选择，采用增计数模式和翻转／复位的输出方式，图5为此种组合模式下的示意图，由图可知，利用TBO的TBCCRO值作为计数周期，TBI - TB5的TBCCRl - TBCCR5值作为计数值，当计数达到TBCCRx（x取1-5）值时，输出信号进行翻转，达到TBCCRO值时输出信号进行复位，从而可以方便的设置所需占空比的PWM信号。

2)通信协议与PWM信号的关系
传统的舵机控制器通信协议帧通常采用舵机编号加数据的方式，每帧数据只能控制一个舵机，大大降低了通信的效率。本系统中每帧数据由16字节组成，其中包括帧头占两个字节、目的设备ID、数据位及校验和。帧头和校验和用于识别出数据帧并检查数据是否正确；目的设备ID用于标示舵机控制板（与之匹配的主控计算机板可连接多
块舵机控制板以增强兼容性和可扩展性）；中间12个字节的数据位用于同时解算舵机的偏角，其中每个舵机占2个字节，极大的提高了数据帧的利用效率，因此，MSP430F149的定时器B可输出多达6路PWM波。
具体算法如下：
(1)首先定义一个将两个字节的十六进制数变为有符号整型的函数i16Bits2lnt在其中定义一个umon类型的变量itmp，然后通过赋值itmp．(2)接下来利用前面自定义的函数实现5路角度的解算，部分代码如下：


(3)在PwmOut()函数中进行解算的角度到TBCCRx值的转化，通过精确计算，本系统中计数周期TBCCRO值为8947，有效脉冲宽度TBCCRx设置范围为223 - 1118，零位对应671。
(4)最终通过循环赋值实现捕获比较寄存器TBCCRx值的更新。

3.2主体程序
如图6所示，本系统的主体程序是在