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遙控飛機飛行資料記錄器設計實做
MCU創意設計與應用系列(21)

【作者: 曾信欽,吳政晏,鄭逸軒,江志煌】   2009年12月09日 星期三

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人類對飛行的奢望開始於遠古時期,在東、西方許多古籍裡,都能發現人類或者是半人半獸在天空飛行的神話或故事。例如,中國的封神演義、西遊記、述異記等古代的文學作品中,皆有人類在天空中騰雲駕霧的描述。這說明了人類夢想著能像鳥類在天空自由自在的飛翔。西方的神話(如希臘神話等著作)更有不少在天空中飛翔或漫遊的故事。不過,那時只是夢想而未能在現實生活中實現。這種夢想一直鼓舞著人類對飛行的開拓與發展。



雖然今日的科技已經完成許多古人無法想像的飛行機器,但仍然只有少數人有機會與資格可以成為正式的飛行員,真正駕馭飛機在天空翱翔。對於一般人而言,遙控飛機可以算是最快達到飛行夢想的方法。藉著電子與電機技術的快速發展,可以簡單製作與操控的遙控飛機已經十分普遍,從事遙控飛機休閒的人口也逐漸的增加。



《圖一 遙控飛機系統》


基本的遙控飛機系統架構如圖一所示。主要的控制組件包括遙控器、接收機、伺服機及動力裝置(引擎或電動機)。這樣的控制架構已經差不多達到標準化了,普遍應用於遙控飛機、直升機及車、船等不同的遙控玩具上。這一套控制架構只有單方向的發送命令,遙控飛機並沒有任何回饋的資料送到地面的控制者。由於基本的遙控飛機系統只能由目視來判斷飛行狀態,實際上的飛行速度、高度等資料只能憑經驗來估計,對於部分從事遙控飛機休閒的人士而言,這樣並無法滿足征服天空的期望。具有可以確實測量飛行速度與高度功能的設備,是極需要進行開發的產品。因此,本專題根據基本的飛行紀錄需求,開發一套適合的飛行資料記錄器,讓遙控飛機玩家可以知道自己飛行的數據,以便進行飛機裝備上的調整。



本專題所製作的飛行資料記錄器,以適用於小型遙控飛機為前提,所以成品的體積與重量均不可過大。使用單晶片微控制器為核心,是最適當的選擇。完成的飛行資料紀錄器可以安裝於一般休閒用遙控飛機,也可以應用於特殊用途的無人飛行載具上,具有相當的市場價值。



記錄飛行狀態的資料項目包括空速(air speed)、氣壓高度(barometric altitude)及空氣溫度等。選用的感測器輸出均為類比電壓,所以採用具有A/D介面的HT46R24為核心微控制器,可以直接讀取感測器輸出並轉換為數位資料。轉換後的數位資料經由I2C界面,儲存至HT24LC64記憶體中。因為一般遙控飛機系統使用的電源為直流4.8~6.0V,所以飛行紀錄器也規劃為使用6 V的直流電源,並搭配HT7550以穩定電壓。



為了可以安裝在一般的遙控飛機上,成品的體積不可過大,無法直接搭載適當大小的介面來顯示記錄的資料。在記錄器上不考慮裝置LCD或其他可顯示數據的裝置,而是在飛行完畢後,將儲存的資料經由串列介面傳送至個人電腦,於個人電腦上顯示所有的飛行資料。因為個人電腦已相當普及,這種處理方式可以提高使用的便利性。所以除了飛行資料紀錄器之外,整套系統還需要在個人電腦上設計出適當的程式與紀錄器連線,以管理飛行資料。



除了單純的感測與記錄功能,為擴充飛行紀錄器的用途,同時也規劃了一組Slave I2C介面,可以讓其他具有Master I2C介面的裝置來讀取飛行時的感測資料。可應用於即時飛行資料顯示器或無人飛機的飛行控制器上,當作一個獨立的飛行感測模組。



目前全世界遙控飛機之愛好者仍在不斷的增加,同時對於遙控設備的功能與性能要求也逐漸提高。針對遙控飛機玩家的需求,市面上也有類似的飛行紀錄器,但是大多數只有單獨記錄了速度或高度,而且資料擷取的頻率通常過低,無法真正顯示飛機在快速運動下的性能。除此之外,可將感測資料由標準化的介面輸出的功能,在目前市面上的產品中尚未見到。




《圖二 飛行資料記錄器的硬體架構》




硬體架構


本作品整體的硬體架構如圖二。以一個單晶片微控制器為核心,來控制各項功能的判斷與執行。感測器的輸出電壓經由A/D轉換介面來讀取,然後以I2C串列界面連接EEPROM,進行資料儲存。以個人電腦來下載資料時,是透過UART介面來執行傳送及接收。另外還規劃一組Slave模式的I2C串列介面,可以作為擴充和其他設備連接之用。



軟體架構


本作品的軟體架構如圖三,包含一個主流程和兩個中斷處理流程。主流程啟始後,即根據功能選擇開關決定要執行感測與紀錄功能,或是資料傳送功能。



如果選擇為執行感測與記錄功能,則依據事先設定的擷取頻率來設定內部的計時器參數,然後致能Slave I2C和計時器中斷功能。感測器的電壓擷取是由計時器中斷來啟動,以達到固定頻率擷取的功能。所以當計時器中斷發生時,即開始進行感測器電壓的A/D轉換,並且將轉換結果寫入EEPROM內。如果是Slave I2C中斷發生,代表有外部裝置來讀取感測器資料,則從特定記憶體位置,將最新轉換的感測器資料經由硬體的I2C BUS傳送出去。



如果選擇為資料傳送功能,則先完成軟體UART的設定,然後等待連線電腦的下載命令。接收到下載命令後,開始依序從EEPROM中讀出儲存的資料,然後轉從UART傳送出去。當EEPROM的資料完全讀取與傳送完畢後,則回到等待命令的狀態。




《圖三 軟體架構》




製作與測試


上述規劃的電路首先在麵包板上配線與測試。在麵包板上建構的電路及軟體如果確認可以正常工作,再移到電路板上製作。以盛群的模擬器HT-ICE來模擬HT46R24運作,電源可暫時由模擬器提供,所以在初步測試階段,微控制器的震盪、重置及電源電路並不需要。壓力感測器均屬於SMD元件,無法直接插在麵包板上,所以先焊接於小塊的電路板,將需要的接腳引線連接排針,才能用在麵包板上測試。



經由實際的測試,證實本專題製作的飛行紀錄器可成功執行飛行過程的速度、壓力及溫度值。不過,依據感測器規格表提供的資料來計算相關物理量之結果,有較大的誤差。若在硬體中增加調整電路,或在程式中增加校正值紀錄與A/D轉換值修正的功能,並且配合其他標準壓力及溫度控制設備進行校正,則可以提高本作品的準確性與可靠性。此為後續改善與發展的方向。



---本文由盛群半導體提供;作者曾信欽為空軍航空技術學院飛機工程系二技部學生、江志煌為空軍航空技術學院飛機工程系助理教授---



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