翼眸科技浅谈无人机接收机的通信协议​

杰罗姆

来自知乎翼眸科技浅谈无人机接收机的通信协议​
无人机编队表演

关于遥控器与无人机飞控之间的通信协议有很多种，常见的数据协议如下：

1、PWM：需要在接收机上接上全部PWM输出通道，每一个通道就要接一组线，解析程序需要根据每一个通道的PWM高电平时长计算通道数值。

2、PPM：按固定周期发送所有通道PWM脉宽的数据格式，一组接线，一个周期内发送所有通道的PWM值，解析程序需要自行区分每一个通道的PWM时长。

3、S.BUS：每11个bit位表示一个通道数值的协议，串口通信，但是S.BUS的接收机通常是反向电平，连接到无人机时需要接电平反向器，大部分支持S.BUS的飞行控制板已经集成了反向器，直接将以旧换新机连接到飞行控制器即可。

4、XBUS：常规通信协议，支持18个通道，数据包较大，串口通信有两种模式，可以在遥控器的配置选项中配置。接收机无需做特殊配置。

一、PWM协议

PWM信号用于控制单个电调或者单个舵机脉冲宽度调制信号。

电机（电调）上用到PWM信号种类很多，此处对常见的PWM信号特征进行描述：

1、 PWM信号是一个周期性的方波信号，周期为20ms，也就是50Hz的刷新频率。

2、 PWM每一周期中的高电平持续时间为1~2ms（1000us~2000us），代表了油门控制量。一般四旋翼中，使用1100~1900us，1100us对应0油门，1900us对应满油门。

PCM是英文pulse-code modulation的缩写，中文的意思是：脉冲编码调制，又称脉码调制。PPM是英文pulse position modulation的缩写，中文意思是：脉冲位置调制，又称脉位调制，这里顺便提一句，有些航模爱好者误将PPM编码说成是FM，其实这是两个不同的概念。前者指的是信号脉冲的编码方式，后者指的是高频电路的调制方式。比例遥控发射电路的工作原理如图1所示。操作通过操纵发射机上的手柄，将电位器组值的 变化信息送人编码电路。编码电路将其转换成一组脉冲编码信号（PPM或PCM）。这组脉冲编码信号经过高频调制电路（AM或FM）调制后，再经高放电路发送出去。PPM的编解码方式一般是使用积分电路来实现的，而PCM编解码则是用模/数（A/D）和数/模（D/A）转技术实现的。

目前，比例遥控设备中最常用的两种脉冲编码方式就是PPM和PCM：最常用的两种高频调制方式是FM调频和AM调幅：最常见的组合为PPM/AM脉位调制 编码/调幅、PPM/FM脉位调制编码/调频、PPM/FM脉冲调只编码/调频三种形式。通常的PPM接收解码电路都由通用的数字集成电路组成，如 CD4013，CD4015等。对于这类电路来说，只要输入脉冲的上升沿达到一定的高度，都可以使其翻转。这样，一旦输入脉冲中含有干扰脉冲，就会造成输 出混乱。由于干扰脉冲的数量和位置是随机的，因此在接收机输出端产生的效果就是“抖舵”。除此之外，因电位器接触不好而造成编码波形的畸变等原因，也会影 响接收效果，造成“抖舵”。对于窄小的干扰脉冲，一般的PPM电路可以采用滤波的方式消除；而对于较宽的干扰脉冲，滤波电路就无能为力了。这就是为什么普 通的PPM比例遥控设备，在强干扰的环境下或超出控制范围时会产生误动作的原因。尤其是在有同频干扰的情况下，模型往往会完全失控。

二、PPM协议

每一个遥控器通道都需要一个PWM采集器进行采集，但是对于STM32来说不可能使用多个定时器来采集多个通道的PWM，这对于STM32的资源来说十分浪费。因此采用的就是PPM编码。PPM编码是PWM的扩展协议，可以在一个管脚中传输多路PWM信号。

PPM协议只需要一根线就可以传输，避免了PWM需要多路才能传输多个通道的问题。下面是PPM协议的波形图：

PPM协议最多传输20个通道，使用一个定时器就可以轻松解决了。

PPM的频率通常是50Hz，周期长度20ms，每一个周期中可以存放最多10路PWM信号，每一路PWM的周期为2ms，如下图所示：

使用STM32的管脚中断配合定时器中的计数可以准确的捕获一个周期内的PPM信号中的高低电平变化，每2ms就是一路PWM信号的周期。每个通道信号脉宽0~2ms，变化范围为1~2ms之间。1帧PPM信号长度为20ms，理论上最多可以有10个通道，但是同步脉冲也需要时间，模型遥控器最多9个通道。

PPM转PWM示例：

PPM和PWM的对应关系如下图：

遥控接收器接收到遥控指令，输出PPM信号，PPM信号经过PPM解码电路输出8路PWM信号。

上图为多个通道的PWM信号通过PPM编码电路转化PPM信号输出。

三、S.BUS协议

S.BUS本质是一种串口通信协议，使用的是TTL电平的反向电平，即标准TTL中的1取反为0，而0则取反为1，采用100K的波特率，8位数据位，2位停止位，偶校验，即8E2的串口通信。

S.BUS是一个接收机串行总线输出，通过这根总线，可以获得遥控器上所有zhi通道的数据。目前很多模型及无人机电子设备都支持S.BUS总线的接入。使用SBUS总线获取通道数据，效率高的，而且节省硬件资源，只需要一根线即可获取所有通道的数据。

值得注意的有三点：

（一）S.BUS采用负逻辑，所以无论接收还是发送都要进行硬件取反（注意，一定要硬件取反），电路如下（这是网上看资料时看到的电路，实际上可以使用7404电路）：

（二）S.BUS有两种模式：

a.高速模式：每4ms发送一次；

b.低速模式：每14ms发送一次。就是说每间隔4或者14ms这个串口就发送25个字节的数据，这25个字节的数据最多可以包含16个信息。

（三）100K的波特率不是标准波特率，一般串口工具都不能直接读取（所以不要直接用电脑调试，除非你的电脑写好了非标准串口），可以用单片机读取。

S.BUS具体协议的格式如下：

[数据头] [第一个字节] [第二个字节] ......[第二十二字节] [标志位] [数据尾]；

数据头、标志位、数据尾不携带信息，而且数据头和数据尾是固定的，数据头=0x0f， 数据尾=0x00;

数据头（1字节）+数据（22字节）+标志位（1字节）+数据尾（1字节） 。

解释如下：

S.BUS一帧数据的长度为25个字节，其中：

第"0"个字节为帧头：0x0f；

第24个字节为帧尾：0x00；

从第1个字节到第22个字节为1-16号比例通道的数据字节；

第23字节中，第7位为数字开关通道17通道，第6位为数字开关通道18通道；第5位为帧状态标志为（判断是否丢帧），用于控制接收机上的LED的状态，第4位为失控保护激活标志位，此位为1时，表示接收机进入失控保护状态。

编解码C语言源码：

编码原理：

一个信息是二进制的11bit，比如1111 1111 111就可以表示一个信息，一共16个这样的信息，按照顺序将这16个信息依次排成一串，得到一个176bit（11 *16）的数据，也就是22字节（176 / 8 = 22）的数据，再加上数据头数据尾校验位就组成了一个要通过串口传送的信息。每隔4或者14ms就传送一个这样的信息。所以这16个信息每一个所能表示的最大值是2^11 = 2048，也就是它的精度。

标志位

标志位的高四位有特殊含义，第四位并没有使用，依照我的理解，第七位和第六位表示两个数字通道（通道17和18）信息（就是只有高低电平的通道，一般用来控制通断或者某个电机简单的启动或者停止，比如1表示启动电机0表示停止电机），第五位表示帧丢失，接收机红色LED亮起，我的理解是，如果这一位为1，表示这一帧信号出问题了，接收机红色LED亮起。第四位表示故障保护激活，意思应该是说如果这一位为1，激活接收方故障保护。