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浅谈无人机上的常见接口

转载 2019-11-11 10:33 雨飞君 来源:雨飞工作室

无人机上各种设备层出不穷,接口种类越来越多,比较主要的有:PWM、PPM、SBUS、串口(包括TTL,232,422,485几种)、SPI、I2C、CAN、USB、Relay(GPIO)、AD、SDIO、HDMI等等。

PWM: 所有航模和无人机都离不开的一种接口。单线信号,周期发送正脉冲,变化脉宽作为传递信息的方式,一个针脚传递一个通道,往往搭配地线和电源线可控制一个舵机或一个电调,是无人机或航模入门第一个需要了解的接口。优点是简单,稳定的传输一个可量变的信号,缺陷是速度低。目前常见的标准是50Hz,也有300Hz至400Hz的。

PPM: 是PWM的升级版,就是每个信号周期变为发送一组多个脉宽的组合,来同时传递多个通道的变化信息。早期也被用于遥控器无线电信号和航模模拟器信号,现在多用于接收机与飞控连接,带有PPM信号输出的接收机很多,是无人机入门必配。其优点是稳定传输多个通道,缺点是速度更慢。

S.BUS: 是日本遥控器厂商FUTABA设计的用单通道数字信号传输多通道信息的协议,只有一个信号针脚和一个基准地线,支持HUB扩展多个舵机和电调连接在一个信号源上,所以S.BUS其实是一种总线,其原理其实就是变化的串口协议。其优点是纯数字信号,很可靠,带有总线功能。缺陷是属于厂家技术兼容设备较少。目前是飞控连接接收机的最佳选择。据说国外用户使用PPM接收机的多,国内用户使用SBUS接收机的多,这可能和FUTABA遥控器在国内大量使用有关系吧。

串口:串口是目前控制领域最常见的设备接口,硬件形式有TTL,232,422,485几种。TTL是基本信号,常见三针用法,一个针用于信号输入叫RX,一针用于信号输出叫TX,另一针为信号基准地线(两个TTL接口设备对接,必须共地!)。一般0伏和3-5伏表示0和1,飞控芯片上自带的都是这种串口,而且会带很多个,用于连接多个设备(比如GPS模块、数传、WIFI模块等),PIXHAWK飞控有5个。TTL信号的电压较低,经验上不适合1米以上的长距离传输,于是发展出232接口,使用正负电平表示0和1,其他与TTL相同,极大延长了传输距离,但是速度依然不足。于是发展出422接口,RX和TX每个针脚都变为正负电压的一对信号线同时跳变,这样干扰信号被巧妙的抵消,传输距离和速度双飞跃,但是需要5根线,给调试造成很大麻烦。485串口是半双工,是结合232和422优点,使用一对正负电压的信号线既发又收,但是需要额外一个信号控制收发转换,485总线带有总线特征,可以在两根线与地线上连接多个设备,但是收发、片选、仲裁、校验等等工作都需要你写程序去协调,工作量大。

SPI: 这是一种用于板上通信的高速接口,使用了主从设计和专门的时钟线,每个SPI拥有4个脚主入从出MISO、主出从入MOSI、时钟CLK和地线。主设备负责管理信息,时钟同步和所有设备通信,一路SPI可以连接多个设备,但是必须每个带有片选。因为有时钟线,所以很容易做到所有设备的同步通信,由于其稳定性和高速特性,在飞控板上用来连接所有传感器与主单片机。

I2C: 是用于连接板上高速设备的总线。拥有三根信号线,信号,时钟和地线。也是采用主从设计,带有时钟的同步设计,但是信号线需要承担多个设备输入输出,有主设备来管理。I2C上所有设备都自带一个地址,或叫标签,主设备用这个地址来识别设备。在飞控中用来连接重要性不太高的众多设备,指示灯,磁罗盘,空速,超声波,激光测距等等。居然有厂家为了省事用这个总线连接多个电调,这是很危险的,因为3-5v电平在长距离传输中容易受干扰。

CAN: 最早为汽车设计的总线接口,传输的是差分信号,抗干扰性能超强,专门用于大干扰环境设备间多个远距离传输。只有H和L两个信号线,所有设备都连接在上面,总线芯片负责仲裁。这其实是无人机上设备,尤其是多旋翼电调的最优选择,但是CAN接口有一定的复杂性,CAN收发器芯片成本也不低。PIXHAWK飞控和 ESC32电调多年前就已经具备该接口,大疆飞控上也采用了CAN接口。相信今后采用CAN接口的飞控会越来越多。

USB: 民用总线接口,可以通过HUB连接多个设备,可以说是一种完美接口。但是其协议过于复杂,编程工作量极大,接口连接形式容易导致问题,必须使用专用线材,且不能超过2米。在飞控上主要用来地面进行调试,读写参数等等地面操作。

Relay: 就是GPIO信号,只有0和1两种状态,存在于飞控某些针脚用于自动控制相机快门和农药喷头。优点是可靠,缺点是信息量极小,浪费资源且没有校验等功能。

AD: 模数转换接口,使用方式就是测量电压。目前飞控用来测量电压,电流,这种方式成本较低,在小型无人机上还可以使用。另外一些距离探测设备还在用,比如空速和超声波。

SDIO: 用于连接SD卡或TF卡,进行飞行数据记录。由于TF卡应用普遍,成本较低,容量速度都令人满意,所以渐渐成为高级飞控必备设备,用于飞行记录,事故分析,故障诊断等等。

HDMI:高清晰度多媒体接口(英文:High Definition Multimedia Interface,HDMI)是一种数字化视频/音频接口技术,是适合影像传输的专用型数字化接口,其可同时传送音频和影音信号,最高数据传输速度为5Gbps,同时无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换。HDMI接口特点:

(1)可以传送无压缩的音频信号及高分辨率视频信号,数字信号,质量高。

(2)提高高达5Gbps的数据传输带宽。

(3)能支持1080P视频(最新版本2.0b,最高可支持8K)。

(4)理论20m,实际一般为3m左右。

(5)同时传输音频、视频、版权保护,在消费电子领域非常受欢迎。

(6)HDMI是外部接口,对于视频的分辨率和色深的提升能力有限。

(7)HDMI兼容性不好。目前HDMI接口在图传和相机上普遍使用,选用优质的HDMI转接线是很重要的。

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