基于藍牙和數(shù)傳模塊的小型四旋翼無人機通信系統(tǒng)設(shè)計

施洪平，李志宇，徐義華

（1.南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京210016；2.南京航空航天大學(xué)無人機研究院中小型無人機先進技術(shù)工信部重點實驗室江蘇南京210016；3.空軍駐江蘇地區(qū)軍事代表室江蘇南京210016）

基于藍牙和數(shù)傳模塊的小型四旋翼無人機通信系統(tǒng)設(shè)計

施洪平1，李志宇2，徐義華3

（1.南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京210016；2.南京航空航天大學(xué)無人機研究院中小型無人機先進技術(shù)工信部重點實驗室江蘇南京210016；3.空軍駐江蘇地區(qū)軍事代表室江蘇南京210016）

為實現(xiàn)四旋翼無人機與安卓地面站的無線通信，文中設(shè)計了一種基于藍牙和數(shù)傳模塊的通信系統(tǒng)。系統(tǒng)由藍牙Hc06模塊、控制器C8051F930和數(shù)傳Si4432模塊組成。文中介紹了系統(tǒng)組成模塊的特點，設(shè)計并實現(xiàn)了軟硬件方案，并使設(shè)計的功耗最低化，詳細闡述了設(shè)計過程中解決的重要技術(shù)問題。通過實驗驗證，本系統(tǒng)能以較高質(zhì)量在1.5 km范圍內(nèi)進行無線通信。

藍牙；數(shù)傳；四旋翼無人機；無線通信

四旋翼無人機是一種具有4個螺旋槳的飛行器，并且四個螺旋槳分為兩組呈十字形交叉結(jié)構(gòu)，兩組的旋轉(zhuǎn)方向不同，而相對的螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相同。與傳統(tǒng)的直升機不同，四旋翼直升機只能通過改變螺旋槳的速度來實現(xiàn)各種動作。四旋翼無人機體積小、機動性好、結(jié)構(gòu)較簡單、性價比高，因此在軍事和民用方面有巨大的應(yīng)用價值，是目前研究的一個熱點。

四旋翼無人機地面站是無人機系統(tǒng)的信息控制中心，主要負責(zé)飛行器的數(shù)據(jù)接收與處理、電子地圖定位、飛行姿態(tài)顯示、軌跡導(dǎo)航、任務(wù)規(guī)劃、圖像接收與處理等重要功能，集通訊、顯示、控制及數(shù)據(jù)處理于一體。而安卓地面站又是一種新興的地面站，與傳統(tǒng)地面站比較，安卓地面站既實現(xiàn)了主要功能，又兼有質(zhì)量輕易攜帶、工作時間長、移植性強等優(yōu)點。

本設(shè)計解決的核心問題是實現(xiàn)四旋翼無人機和安卓地面站之間的無線通信。由于安卓手機自帶藍牙功能，藍牙的有效通信距離是10m，而數(shù)傳電臺的通信距離能達到2～3公里甚至更遠。本設(shè)計通過藍牙結(jié)合數(shù)傳電臺和四旋翼通信，提出了一種新的無線的地面系統(tǒng)和四旋翼機載平臺的通訊方式的設(shè)計思路。

1　通信系統(tǒng)設(shè)計

1.1系統(tǒng)總體方案

無線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，安卓地面站通過藍牙發(fā)送數(shù)據(jù)時，藍牙模塊Hc06接收數(shù)據(jù)并經(jīng)串口傳輸給發(fā)送模塊中的C8051F930單片機，其再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送給數(shù)傳芯片Si4432進行編碼，然后以特定的格式發(fā)送出去。當(dāng)接收模塊接收到發(fā)送模塊傳來的信號后，對射頻信號進行放大、解調(diào)，再將數(shù)據(jù)發(fā)送至C8051F930單片機進行相應(yīng)的處理，最后通過串口傳輸給四旋翼機載平臺；而當(dāng)機載平臺發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過上述通信鏈路的逆向傳輸也可以使數(shù)據(jù)傳輸至安卓地面站。

圖1　無線通信系統(tǒng)框圖

1.2系統(tǒng)硬件選擇

數(shù)傳模塊選用無線數(shù)傳芯片Si4432。它是Silicon Labs公司生產(chǎn)的一款EZRadioPRO系列無線收發(fā)芯片，具有多頻段、低功耗、高集成度等特點。Si4432芯片輸出功率可達+20 dBm，接收靈敏度達到-121 dBm，可提供對數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖FIFO、接收信號強度指示（RSSI）、空閑信道評估（CCA）、喚醒定時器、低電壓檢測、溫度傳感器、8位AD轉(zhuǎn)換器和通用輸入/輸出口等功能的硬件支持。Si4432在使用時對外部元件的依賴性較小，配置若干電容、電感和一個30 MHz的晶振就可組成一個可靠性較高的數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)，從而大大減小了二次開發(fā)的工作量。

控制芯片選用Silicon Labs公司的C8051F930單片機。它有64KB的Flash和4KB的RAM，并且集成了豐富的外圍模塊（包括10位A/D轉(zhuǎn)換器、SPI、串口等），完全滿足本系統(tǒng)的設(shè)計需求；有多種電源管理模式（如正常模式、休眠模式、空閑模式等），內(nèi)部集成的2個內(nèi)建欠壓檢測器分別適用于正常模式和休眠模式，在休眠模式下電流僅為50 nA。C8051F930單片機包括一個效率很高的直流升壓轉(zhuǎn)換器，最多提供65 mW給內(nèi)部微控制器和其他元器件，在功耗方面它也做到了極致，其省電架構(gòu)能將操作模式下的電流減小到170 μA/MHz。

為了減少設(shè)計風(fēng)險和加快開發(fā)進程，藍牙模塊選用了廣州匯承信息科技有限公司推出的Hc06模塊，Hc06藍牙模塊采用CSR公司的BC417藍牙芯片，使用藍牙V2.0協(xié)議標準。模塊供電電壓為3.3～3.6V，模塊尺寸大小為27 mm×13 mm× 2 mm，工作電流不大于50 mA，功耗較低。Hc06模塊的有效通信距離可達到10m，并且通過AT指令可以對藍牙通信的波特率和配對密碼進行修改。

1.3系統(tǒng)硬件設(shè)計

C8051F930單片機利用SPI接口來控制數(shù)傳Si4432的工作模式，并實現(xiàn)讀寫狀態(tài)寄存器、讀寫緩沖數(shù)據(jù)等功能。SPI接口包括主輸入、從輸出（MISO），主輸出、從輸入（MOSI）和串行時鐘（CLK）。主機用CLK與從機時鐘同步。C8051F930單片機除了完成基本的芯片初始化工作、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收之外，還要求能夠根據(jù)需求在數(shù)傳Si4432的引腳產(chǎn)生中斷，并由所編寫的中斷處理程序進行狀態(tài)識別和狀態(tài)切換，執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理，從而使得無線通信可以在發(fā)射、接收和待機之間轉(zhuǎn)換。

C8051F930單片機通過UART接口和SPI接口主要完成下面兩個方面工作:

1）C8051F930單片機通過SPI接口配置數(shù)傳Si4432的工作參數(shù)，主要是對相應(yīng)的配置寄存器進行設(shè)置。

2）在發(fā)射模式下，C8051F930單片機通過UART接口接收藍牙Hc06模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)，再通過SPI接口時序要求將發(fā)送數(shù)據(jù)寫入數(shù)傳Si4432的發(fā)送寄存器中；在接收模式下，C8051F930單片機將數(shù)傳Si4432接收到的數(shù)據(jù)通過SPI接口讀入到接收緩沖區(qū)，再通過UART接口發(fā)送給藍牙Hc06模塊。

數(shù)傳Si4432與微控制器C8051F930是采用SPI接口進行通信的，所以只需要把數(shù)傳Si4432的SPI接口與狀態(tài)引腳與單片機相連即可完成兩者之間的硬件連接。而藍牙模塊Hc06與控制器C8051F930之間是采用UART接口進行通信的，所以只需把藍牙Hc06的Rx和Tx引腳分別接上C8051F930單片機的Tx和Rx引腳即可。硬件連接部分原理圖如圖2所示。

圖2　微控制器C8051F930和數(shù)傳芯片Si4432硬件連接圖

1.4系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.4.1軟件主流程

軟件的開發(fā)環(huán)境為keiluVISION4，使用的語言為keilC51。軟件的功能主要為了完成C8051F930單片機和數(shù)傳Si4432的初始化；與藍牙模塊Hc06進行通信；對數(shù)傳Si4432的管理；完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。系統(tǒng)軟件的主要流程圖如圖3所示。

首先對C8051F930單片機、數(shù)傳Si4432和藍牙Hc06進行初始化，再判斷UART是否有來自藍牙的完整的數(shù)據(jù)包，如果有完整數(shù)據(jù)包則繼續(xù)判斷是否是配置命令包，是則進行相應(yīng)的配置操作，不是則通過數(shù)傳Si4432發(fā)送數(shù)據(jù)；如果沒有完整數(shù)據(jù)包則判斷是否產(chǎn)生數(shù)傳Si4432的中斷，是則處理其相應(yīng)事件，通過UART向藍牙發(fā)送接收的數(shù)據(jù)。軟件采用中斷驅(qū)動模式，因此可以最大程度降低功耗，即在沒有任何外部中斷觸發(fā)時，C8051F930單片機將進入空閑模式；否則，被喚醒，并執(zhí)行相關(guān)的操作，在執(zhí)行完當(dāng)前操作后，再次進入空閑模式。RSSI信號是對接收信號強度的評估值，最后將該值返回至安卓地面站，從而讓地面站實時地了解當(dāng)前的信號質(zhì)量。

圖3　軟件主流程圖

1.4.2C8051F930單片機的編程要點

C8051F930是一個支持混合信號的單片機，在使用前必須對它進行初始化，而在運行過程中，在模塊不影響正常工作的前提下，可以充分利用其低功耗特性，把系統(tǒng)功耗降到最低。可根據(jù)寄存器的定義或者可視化的配置工具來對單片機進行初始化，內(nèi)容包括端口、URAT、定時器、振蕩器、SPI和中斷的初始化。下面為初始化代碼片段。

1.4.3數(shù)傳Si4432的編程要點

1）寄存器操作

數(shù)傳Si4432共有128個寄存器，通過SPI接口對它們的進行訪問來控制芯片的工作方式和記錄工作狀態(tài)。SPI的bit順序是可配置的，配置缺省時與MCU的順序相同，命令格式為兩字節(jié)結(jié)構(gòu):讀/寫標志（1bit，0為讀，1為寫），寄存器地址（7bit）+待寫入數(shù)據(jù)。每次可由時鐘信號來決定讀寫一至多個字節(jié)，即在讀寫一個字節(jié)后，如果時鐘仍然有效，那么，地址將會自動加1，對下一個寄存器繼續(xù)進行讀寫。通過Silicon Labs提供的WDS（WirelessDevelopment Suit）也可訪問上述寄存器，并可生成相應(yīng)的代碼進行初始化。要注意的是只能在空閑狀態(tài)下對寄存器進行初始化，否則將可能出現(xiàn)意外結(jié)果。為提高傳輸信號的質(zhì)量，保證數(shù)據(jù)的可靠性，增大通信距離，系統(tǒng)采用GFSK調(diào)制并使能數(shù)據(jù)白化、CRC校驗、曼徹斯特（Manchester）編碼。

2）狀態(tài)機

在完成不同的功能時，芯片所處的狀態(tài)是不同的。這些狀態(tài)在滿足一定的條件時可實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)移。狀態(tài)機如圖4示。

圖4Si4432的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

由上圖可以看出，數(shù)傳Si4432有空閑、關(guān)閉、發(fā)送、接收幾種狀態(tài)，其中空閑和關(guān)閉狀態(tài)為低功耗狀態(tài)。而空閑狀態(tài)又可細分為傳感器、準備、休眠、掛起、調(diào)整頻率5種子狀態(tài)，它們主要是為了低功耗地完成各種與無線數(shù)據(jù)收發(fā)無關(guān)的操作。發(fā)送和接收兩種狀態(tài)又統(tǒng)稱為激活狀態(tài)，它們主要用來完成無線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。除了關(guān)閉狀態(tài)只能通過單片機的I/O腳來設(shè)置外，其它狀態(tài)都可以通過SPI接口來設(shè)置和讀取。對于當(dāng)前狀態(tài)的檢測，可通過訪問02h寄存器來獲取。對于狀態(tài)的切換，可以通過寫寄存器07h來實現(xiàn)，其不僅可以使?fàn)顟B(tài)立即發(fā)生改變，而且可以決定在完成收發(fā)任務(wù)后返回到空閑狀態(tài)的哪一個子狀態(tài)（本系統(tǒng)設(shè)置為休眠狀態(tài)，即enwt=1）。數(shù)傳Si4432還有個喚醒定時器，利用它來定時喚醒芯片進入Rx狀態(tài)，可以保證數(shù)據(jù)不被漏收，即設(shè)置定時常數(shù)寄存器14 h和19 h中的值，并設(shè)置08 h寄存器中的enldm位為1，確認收完數(shù)據(jù)后再返回到原來的空閑子狀態(tài)。

2　系統(tǒng)的低功耗設(shè)計

由于系統(tǒng)的耗電主要集中在C8051F930單片機和數(shù)傳Si4432模塊，而它們都具備低功耗運行功能。C8051F930單片機有正常、停止、空閑、掛起和休眠5種功率模式，電源管理單元對這些模式進行管理和切換。設(shè)置C8051F930單片機的常態(tài)為休眠，在收到任何中斷后，單片機將從休眠模式切換到正常模式；而在完成相應(yīng)的任務(wù)后，單片機又立即從正常模式切換回休眠模式。同時單片機禁止所有不用的模擬端口，設(shè)置數(shù)字外設(shè)為低功率工作模式。并且利用C8051F930單片機內(nèi)部集成的DC-DC升壓模塊的輸出電源給藍牙Hc06模塊和數(shù)傳Si4432芯片供電，這使得該模塊的電源可以低至0.9V。在數(shù)傳Si4432方面，由于芯片內(nèi)部集成的功放（PA）的輸出功率是可編程的，大小可為11、14、17或者20 dBm，因此可根據(jù)RSSI的值來動態(tài)調(diào)整輸出功率的值。當(dāng)RSSI的值較小時，可增大輸出功率，反之則減小功率。

3　軟硬件設(shè)計策略

在硬件和軟件設(shè)計的過程中，本設(shè)計也遇到若干問題。在硬件設(shè)計初期，由于未考慮PCB板的耦合效應(yīng)以及射頻電路的特殊性，導(dǎo)致數(shù)傳Si4432的射頻模塊工作并不穩(wěn)定，信號時好時壞。所以在設(shè)計PCB時應(yīng)盡量消去電路元件間的耦合效應(yīng)，走線應(yīng)避免信號輸入輸出端，使各電感保持相互垂直，電源端增加去耦電容和旁路電容；射頻電路應(yīng)盡量選用較小封裝的元器件，所布信號線應(yīng)盡可能短，并盡量減少過孔數(shù)目。而在軟件設(shè)計過程中，在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時也遇到轉(zhuǎn)換失敗的問題，原因是數(shù)傳Si4432狀態(tài)轉(zhuǎn)換前需要先進入掛起狀態(tài)再等待15 ms；之后遇到在沒有發(fā)送喚醒的情況下接收端數(shù)傳Si4432自動產(chǎn)生下降沿中斷問題，發(fā)現(xiàn)是由于同步字檢測中斷設(shè)置過于簡單，數(shù)傳Si4432易受空氣中無線電波干擾；在通信前也必須要先設(shè)置藍牙Hc06的波特率使其與數(shù)傳Si4432一致。下面是硬件和軟件設(shè)計時為避免錯誤使用的一些策略。

3.1硬件設(shè)計策略

1）對整個PCB板都覆地銅，以減少輻射效應(yīng)。數(shù)傳Si4432芯片的外圍元件使用體積小的0402封裝貼片器件。其中電感是關(guān)鍵部分，應(yīng)選用高精度電感。

2）數(shù)傳Si4432的扼流電感LC應(yīng)盡量靠近Tx引腳；并聯(lián)在RX_N和RX_P上的電感LR應(yīng)與LC垂直布局；Tx通道上的電感LM、LH、LO也需要保證相互垂直以減少耦合。同時PCB板上其它走線應(yīng)盡量避免Tx/Rx區(qū)域，防止產(chǎn)生耦合效應(yīng)。

3）為得到更好濾波性能，濾波電容應(yīng)盡量靠近相應(yīng)管腳。電源接入端需添加去耦電容，且盡量靠近Si4432芯片。

3.2軟件設(shè)計策略

1）對數(shù)傳Si4432初始化時，應(yīng)先設(shè)置其處于空閑狀態(tài)。

2）數(shù)傳Si4432發(fā)送和接收之間可以相互轉(zhuǎn)換，但是轉(zhuǎn)換之前需要先進入掛起狀態(tài)然后至少15 ms之后再進入發(fā)送或者接收狀態(tài)。故while（1）函數(shù)之前就將其配置為掛起狀態(tài)：SI4432_WriteReg（0x07，？0x01）。

3）數(shù)傳Si4432在低功耗模式下的同步字檢測中斷，容易被空氣中其他無線電波干擾觸發(fā)，故設(shè)置同步字為3-4位并打開檢測超時，PRABL設(shè)置為20位，寄存器33的最高位設(shè)置為0。

4）在對C8051F930單片機初始化后，利用UART口發(fā)送AT指令給藍牙Hc06模塊，以修改藍牙的波特率和數(shù)傳Si4432一致，本系統(tǒng)默認設(shè)置為115 200 bps。

4　系統(tǒng)測試與分析

為驗證本無線通信系統(tǒng)設(shè)計的可靠性，進行了6組“安卓地面站—四旋翼機載平臺”通信實驗。在空曠地通信距離約為1 500m時，6組“安卓地面站—四旋翼機載平臺”分別工作在430MHz、431MHz、432MHz等6個中心頻率上，帶寬取常用串口通信頻率，發(fā)送3 000個數(shù)據(jù)包，實驗結(jié)果如表1所列。

表1　系統(tǒng)在6組不同中心頻率及常用波特率下的通信誤碼率

從以上實驗結(jié)果分析，當(dāng)系統(tǒng)的傳輸速率較低時，誤碼率為0；當(dāng)系統(tǒng)的傳輸速率大于115 200 bps時，存在一定的誤碼率，但誤碼率較低。故得出以下結(jié)論：該無線通信系統(tǒng)傳輸距離可達1.5 km以上，并且誤碼率較低，通信穩(wěn)定，能夠應(yīng)用在四旋翼機載平臺和安卓地面站的通信上。

5　結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計為實現(xiàn)四旋翼無人機和安卓地面站之間的無線通信。通過藍牙Hc06模塊、單片機C8051F930、數(shù)傳Si4432的配合開發(fā)，最終實現(xiàn)這一目的。并且經(jīng)過大量測試，證明該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，高質(zhì)量通信距離達到1.5 km左右，如果需要更遠的通信距離，相應(yīng)提高數(shù)傳模塊的功率即可。而且，該系統(tǒng)方案不僅可應(yīng)用在無人機地面站上，在其他數(shù)據(jù)傳輸和通信領(lǐng)域也有較好的應(yīng)用前景。

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The communication system of small quadrotor UAV based on bluetooth and digital radio

SHI Hong-ping1，LI Zhi-yu2，XU Yi-hua3
（1.College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Research Institute of Unmanned Aerial Vehicle，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Middle and Small Size UAV Advanced Technique Key Laboratory of Ministry of Industry and Information Technology，Nanjing 210016，China；3.Office of Air Force Military Affairs Delegate for Jiangsu Area，Nanjing 210016，China）

In order to realize the communication between small quadrotor UAV and its ground station based on android，One kind of communication system based on bluetooth and digital radio is presented in this paper.This kind of system is consisted of bluetooth Hc06 module，controller C8051F930，and digital radio Si4432 module.This paper introduces the characteristics of the modules of system.Software and hardware scheme are designed and realized in this paper，which making the design costs minimum power at the same time.This paper also expounds the important technical problems in the design process.The experimental results show that this kind of system is high qualified within the scope of 1.5 km for wireless communication.

buletooth；digital radio；quadrotor UAV；wireless communication

TN923

A

1674－6236（2016）17-0081-04

2015-09-23稿件編號：201509160

總裝預(yù)研資助項目（51325010601）

施洪平（1991—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生。研究方向：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、飛行控制系統(tǒng)。