2 硬件与软件设计
2.1 硬件设计
硬件部分的主体是嵌入式控制盒。控制盒由EasyARM1138开发板[6]、信号调理板和机箱外壳3部分组成。
2.1.1 EasyARM1138开发板
EasyARM1138使用32 bit ARM Cortex-M3内核，具有丰富的接口资源。具体配置如下：
(1)采用EasyARM1138的2个ADC端口(ADC0、ADC1)测量飞行摇杆输入的模拟电压信号，采用软件等比例地换算成对应的角度信号，由此实现对飞行摇杆的指令角度信号的测量。
(2)采用EasyARM1138的3个GPIO口(PB0、PF6、PF4)测量三自由度直升机的俯仰角信号的输出脉冲，3个GPIO口(PB2、PF1、PF2)测量三自由度直升机的横侧角信号的输出脉冲。通过软件编程，采用中断的方法实现脉冲计数，由此实现对三自由度直升机飞行姿态的测量。
(3)采用EasyARM1138的Time2模块产生PWM信号，将Timer2模块中的TimerA和TimerB配置为16位的递减计数器，其对应的EasyARM1138上的2个GPIO口(PF7和PC4)的PWM输出作为三自由度直升机的2个直流无刷电机的控制信号，通过调整TimerA和TimerB中的匹配值来等效地调整2个直流无刷电机的输入电压，从而实现对这两个直流无刷电机转速的控制。
2.1.2 信号调理板
由于GPIO测量的8个信号(三自由度直升机的角度信号对应的6个脉冲信号和飞行摇杆对应的2个角度信号)在实际测量时不可避免地存在噪声，被噪声污染的信号直接送入EasyARM1138会使测量出现很大绕行电感的误差，从而对系统产生不利影响。严重时会使三自由度直升机的电机以最大转速运行，此时系统实际上已经发散，无法平衡。
EasyARM1138的GPIO需要测量的8个信号量先经过信号调理电路调理以后，再送入EasyARM1138。经过实际测试发现系统可以稳定运行，而且动态性能理想。
2.1.3 控制盒
嵌入式控制器的外部采用通用的塑料机箱外壳，在其侧面开口用于安放各种接口。控大功率电感制盒整体采用外接的5 V、2 A电源供电，盒上保留了与外部稳压整流电源的插口。盒上安放了一个电源开关用于对控制盒的供电进行控制，并用一个LED二极管指示灯指示电源的开关状态。
控制盒的端面安放了一个橙色的无锁开关，用来对EasyARM1138进行复位操作。在该端面同时有一个DB9的插孔，用于和来自飞行摇杆(北空心电感器通瞬风318飞行摇杆改装)的DB9插头相连接。在另一端面安放了一个DB25插孔，用于和来自三自由度直升机的DB25插头相连。
2.2 软件设计
全部软件基于IAR Embedded Workbench for ARM编程平台[7]，在μC/OSII操作系统中使用C语言进行开发。生成的全部软件通过外接的USB电缆下载至EasyARM1138。软件整体上分为接口和控制两个功能模块。
2.2.1 接口功能的实现
(1)ADC采样
飞行摇杆上下摇动给出俯仰信号，左右摇动给出横侧信号，2路信号通过滤波电容进行整形，送到EasyARM1138开发板的ADC，ADC同时将2路连续的模拟电压转换成离散的数字量。通过电压的比例换算，计算出飞行摇杆给出的俯仰与横侧差模电感的角度。
EasyARM1138开发板的ADC采样模块提供的最大电压为3.3 V，设置摇杆输入的电压量程为0 V～3.3 V，ADC采样率为125 kS/s。ADC模块的转换分辨率为10 bit，其转换范围为0～1 024。当摇杆模拟信号输入到ADC，ADC将其转换成对应的数字量ulVal0，则摇杆输入的电压值ulVal1=(ulVal0/1 024)×3 300。再根据三自由度直升机俯仰角的范围0°～60°将摇杆的电压值转换成对应的角度值，即摇杆输入俯仰的角度angle02 =ulVal1/3 300×60。同理可以将摇杆输入横侧的角度算出来。
(2)旋转编码器解码
三自由度直升机实时姿态信号是通过3个光电旋转编码器检测传送到控制盒中的，为了检测俯仰与横侧的角度，需要对编码器的脉冲计数，算出当前俯仰与横侧的角度。
编码器输出的是相位差为90°的A相和B相两对差分脉冲信号。从A、B 2个输出信号的相位关系（超前或滞后）可判断编码器旋转的方向。当编码器码盘正转时，A道脉冲波形比B道超前π/2，而反转时，A道脉冲波形比B道滞后π/2[8]。旋转编码器输出的波形信号如图3。
对于俯仰时编码器输出的两对差分信号A+与A-和B+与B-，可以只用A+、B+、B-这3个信号测量俯仰角度数。采用EasyARM1138开发板GPIO的边沿触发中断，设B+与B-的脉冲上升沿触发产生中断。当B+脉冲产生中断时，检测A+脉冲输入的高低电平，同时对B+脉冲进行计数。如图4所示，若A+为高电平可判断A超前B一体成型电感，计数变量FA1自动加1（设计数变量初值FA1=30 000）；若为低电平可判断A滞后B，计数变量FA1自动减1。为了消除三自由度直升机平衡杆抖动带来的脉冲计数误差，对B-脉冲设置了中断计数，这样相当于对脉冲B进行了二倍频计数。当B-上升沿脉冲产生中断时，检测A+脉冲输入的高低电平，同时对B-脉冲进行计数。若A+为高电平可判断A滞后B，计数变量FA1自动减1；若为低电平可判断A超前B，计数变量FA1自动加1。 扁平线圈电感制造厂
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