Памятка по декодированию PWM и PPM сигнала | Записки программиста

Любое устройство дистанционного пропорционального управления моделью начинается с энкодера – устройства, преобразующего угол отклонения кнопок управления в электрический сигнал, который затем декодируется приемником и запускается для изменения положения рулей модели.

В большинстве случаев одного канала пропорционального управления достаточно для эффективного управления любой моделью. Только чрезвычайно сложные модели требуют более шести или восьми независимых каналов управления. В основном это модели самолетов, такие как нетривиальные и гигантские копии, авиамодели, поперечные планеры, модели вертолетов, а также модели кораблей и автомобилей, которые могут имитировать несколько функций реальных прототипов.

Почти все модели промышленной аппаратуры (обычно используемые для управления авиамоделями) имеют на панели два основных органа управления (это конвергентное устройство совмещает в себе функции энкодера и передатчика) – ручки, выполненные как двухкоординатные джойстики. С помощью одной из этих ручек можно одновременно управлять элеватором (движение ручки вперед/назад) и рулем направления (движение ручки вправо/влево). Каждое из этих движений также может выполняться независимо и одновременно. Большинство ручек управления являются однокоординатными (вперед-назад или вправо-влево). Панель управления также может быть оснащена до шести дополнительных пропорциональных регуляторов, линейных (скользящий резистор) или поворотных (поворотный резистор). Панель управления обычно содержит также несколько других дискретных органов управления – кнопки и переключатели на 2-3 положения с фиксацией или без фиксации.

Количество каналов должно быть равно количеству органов управления, но это далеко не так. Как правило, количество каналов не превышает 8. Большинство органов управления, пропорциональных и дискретных, выполняют вспомогательные функции и используются при настройке модели и во время подготовки к запуску, например, при подготовке к упражнению (например, кросс-планеры) или к определенным погодным условиям.

В общем, давайте рассмотрим, как работает пропорциональное дистанционное управление. Предположим, что ширина (точнее, длительность, t) прямоугольных импульсов, вырабатываемых НЧ генератором, зависит от положения ручки на передатчике. В среднем t(ср) = 1,5 мс. Изменение положения ручки изменяет длительность импульса: от t(к) = 1,0 мс до t(д) = 2,0 мс. Таким образом, любое положение ручки определяет строгую длительность импульса. Пауза между соседними импульсами приблизительно равна t(n) = 0,2-0,3 мс. Каждая рулевая машина (РМ) имеет электронное устройство, которое регулирует угол поворота исполнительного механизма (вала с рычагом) в зависимости от длительности поступающего импульса, поэтому РМ, на которую подана такая серия импульсов, будет повторять движение ручки управления!

Если теперь добавить еще одну ручку (или координату движения на первой ручке), и с ее помощью изменять длительность каждого второго (четного) импульса, то такая последовательность импульсов будет нести информацию о движении уже двух ручек (или о движении ручки по двум координатам) и т. д.

Необходимо ввести второй, синхронизирующий импульс, чтобы принимающая сторона знала, какой импульс предназначен для первого, второго и последующих RM. Продолжительность обычно устанавливается в пределах 10 мс, но, по причинам, которые мы обсудим позже, она не постоянна. Стандарт состоит из 1 тактового и 8 импульсов данных (канальных). Циклически и непрерывно происходит этот процесс. Он способен “распределять” канальные импульсы по соответствующим ЧМ через свое устройство декодирования.

В технике уже давно используется этот метод кодирования и передачи аналоговой информации в цифровом формате. Этот метод кодирования называется ШИМ – “широтно-импульсная манипуляция” по-русски. Не модуляция, потому что мы говорим о манипуляции сигналом (прерывании), а не о модуляции его амплитуды. Модуляция – более подходящее слово для описания процесса работы с цифровыми сигналами. В нашем случае мы обсуждаем цифровые (импульсные) сигналы, т.е. сигналы, в которых “уровень” меняется скачками (телеграфно) и заменяет понятие “амплитуда”.

Я могу не согласиться с радиоспециалистами по поводу этой терминологии. Что касается манипуляции, то я имею в виду весь с информационный пакет PPM-сигнала, а не одноканальный импульс, который будет модулироваться по ширине (по длительности) в зависимости от положения ручки управления. Этот полный пакет, который является так называемой “несущей” многоканальных PPM сигналов, характеризуется постоянным периодом 20 мс (что соответствует частоте 50 Гц) и лишь кратковременно нарушается (манипулируется) последующими канальными импульсами, количество которых также постоянно (меняется только длительность). Следует отметить, что термин “модуляция” обычно применяется, когда несущая частота превышает модулирующую частоту как минимум на 2-3 порядка. Для нашего случая период канального импульса в пакете (500-1000 Гц, что соответствует 2,0-1,0 мс) в 10-20 раз больше несущей! Это и дает основание использовать термин “манипуляция”. В результате, обсуждая RC-передатчик, мы будем использовать термин “модуляция” для описания изменения высокочастотного сигнала, излучаемого антенной; во избежание недоразумений лучше называть эти два процесса по-разному.

На английском языке ШИМ эквивалентно Phase-Pulse-Manipulation. Часто, по аналогии с PPM, используется термин PWM – “фазово-импульсная манипуляция”, но мы считаем, что более точным способом описания процесса будет PWM. Для большей ясности мы будем продолжать использовать аббревиатуру PPM.

Вообще, стандарт кодирования P PM рассчитан на обработку максимум восьми пропорциональных каналов на оборудовании дистанционного управления моделями. Рассмотрим структурную схему кодера и процесс формирования сигнала PPM более подробно, чтобы лучше понять, чем вызвано это ограничение.

С помощью тактового генератора (блок TG) формируется прямоугольный импульсный сигнал частотой 50 Гц. с периодом следования тактовых импульсов T = 20 мс. Оборудование разных производителей может иметь несколько отличные от среднего значения периоды тактовых импульсов в ту или иную сторону (Т = 18 – 25 мс). Когда тактовый импульс положительный, он запускает одноосциллятор 1 (блок OV1) и одновременно запускает сумматор-формирователь (блок SF). Осциллятор 1 генерирует одиночный импульс отрицательной полярности (точнее, уровень логического 0), длительность которого определяется положением ручки канала 1. В среднем положении этот импульс длится 1,5 мс. Если перемещать ручку между крайними положениями, то длительность импульса будет плавно изменяться в пределах t = 1,0-2,0 мс. По заднему положительному фронту импульса AEB1 запускается следующий одиночный генератор (блок AEB2), а также запускается сумматор (блок SF). Этот процесс будет повторяться до тех пор, пока не заработает одноосциллятор 8 (блок CB8).

Рис.1 Блок-схема аналого-цифрового кодировщика

Количество вибраторов в этой цепи не ограничено, только время между тактовыми импульсами. Все одиночные осцилляторы в данном случае должны последовательно функционировать в течение времени, равного 20 мс. Если учесть, что максимальная суммарная длительность работы всех восьми одноосцилляторов может быть равна t(общ) = 8 * 2,0 = 16,0 мс. (маловероятная возможность, но не исключенная), то имеем: T – t(общий) = 20 – 16 = 4 мс. для синхронизирующего импульса (синхропаузы). Минимум одна секунда – это все, что требуется декодеру на приемной стороне для четкой (синхронной) работы. При другом критическом состоянии (минимальная длительность всех канальных импульсов) длительность синхропаузы увеличится до 12 мс. Добавление еще хотя бы одного одноосциллятора в цепи ОВ1 – ОВ8 может привести к “вырождению” синхронной паузы в момент максимального отклонения всех ручек в одну сторону (t(общ) = 20 мс.), что, в свою очередь, нарушит синхронность работы приемного декодера. Эти причины ограничивают количество каналов управления. Хотя можно увеличить период повторения тактовых импульсов и “нарастить” число каналов, это было бы нежелательно по причинам, которые мы подробно рассмотрим при обсуждении декодера и рулей чуть позже.

В этом блоке не только объединяются сигналы от тактового генератора и одиночных генераторов, но и используются для вычисления паузы между каждым каналом и импульсом синхронизации. Как известно, t(n) = 0,2-0,3 мс.

Как показано ниже, графически формируется “пачка” управляющих импульсов. Обратите внимание, что сигналы ШИМ на диаграмме показаны инвертированными. на инверсном выходе СФ.

Рис. 2 Схемы сигналов

Мы рассмотрим варианты трех-, пяти- и семиканального кодера, поэтому максимальное количество блоков СВ в формирующей цепочке (как и количество канальных импульсов в пачке) не будет превышать семи. Количество каналов определяется, с одной стороны, принципом “разумной достаточности”, с другой стороны, используемая элементная база имеет конструктивные ограничения.

Системы кодирования могут быть реализованы схематически различными способами, от простых (но не обладающих надежностью и точностью) до неоправданно сложных. Пока мы находим разумный компромисс, необходимая точность будет обеспечена относительно легко и не по неоправданной цене. При создании нашей системы мы будем использовать недорогие детали, обычно доступные в большинстве радиомагазинов.

Для начала возьмем микросхему типа CD4098 (или ее отечественные аналоги, например, К561АГ1, К1561АГ1). Микросхема состоит из двух дежурных мультивибраторов (один вибратор), т.е. содержит два одинаковых функциональных элемента в одном корпусе. Эти детали я купил примерно по 7 – 9 рублей каждая (в магазинах Свердловской области). Гарантируется работоспособность изделия в диапазоне питающих напряжений от 3 до 18 вольт. Наше “модельное” питание будет 9,6 вольт (это напряжение, связанное с восемью NiCd аккумуляторами, которые являются стандартным источником питания для RC передатчиков).

Несмотря на то, что основное назначение вибратора – генерировать одиночные импульсы, схемы обратной связи могут легко перевести его в режим непрерывной генерации (автогенерации). Используя первую половину нашей микросхемы, мы смогли собрать тактовый генератор для энкодера. Мы не будем здесь показывать цепи питания микросхем, так как они не являются принципиальными для анализа работы схемы).

Рис. 3 Принципиальная схема часов

В случае указанных номиналов конденсаторов и резисторов частота колебаний составит f = 50 /- 5 Гц. При использовании энкодера, который может работать с максимальным количеством каналов, равным семи, мы будем довольны таким разбросом. Вы можете изменить номинал любого из двух резисторов, если вам нужно более точно настроить или изменить частоту колебаний. Более высокий номинал уменьшит частоту (увеличит период), а более низкий номинал увеличит частоту колебаний (уменьшит период импульсов). В отличие от других генераторов сигналов, этот не имеет меандра, т.е. не меандрирует. длительность импульсов не равна длительности пауз между ними, но для нас это не имеет значения. Этот параметр иначе называется “рабочий цикл”, который представляет собой отношение между периодом импульса и его длительностью – T / t. “Меандр” определяется как имеющий рабочий цикл 2.

Во второй половине микросхемы будет располагаться первый одноосциллятор цепочки энкодеров.

Рис.4 Схематическая диаграмма моноосциллятора

Номиналы деталей на схеме позволяют регулировать длительность импульса в диапазоне от t(k) = 0,9 мс до t(e) = 2,1 мс. с небольшим запасом. С помощью переключателя S можно изменить направление аудиоканала. это позволит вам изменить направление движения рулевого колеса относительно движения ручки управления. От этого переключателя можно безболезненно избавиться.

Мы будем использовать другую аналогичную микросхему для построения еще одной пары одноосцилляторов, второго и третьего, соединив их последовательно. Если мы добавим еще одну или две микросхемы, у нас получится пяти- или семиканальный энкодер.

Последним функциональным элементом нашей системы является сумматор-формирователь. Мы построим его, используя микросхему CD4078 – восьмивходовый логический элемент “о”. Этот чип ограничивает количество каналов в нашем кодере. Вы можете купить этот чип в магазине за 5-6 рублей. Его особенность в том, что он имеет два выхода: прямой и инверсный. Это позволит нам очень легко реализовать еще одну интересную функцию, неправильно называемую в литературе по RC-системам “сдвиг частоты вверх или вниз”.

Позже, когда мы начнем проектировать блок передатчика, мы рассмотрим эту функцию более подробно. В отличие от временных характеристик радиочастотного сигнала, требования к полярности сигнала не являются стандартными. Производители РЧ оборудования вольны использовать в своих устройствах сигнал той или иной полярности. Как следствие, приемники и передатчики, изготовленные разными компаниями, несовместимы. Наша цель – создать систему, которая будет работать с любым промышленным RC-оборудованием, независимо от его параметров.

Рис.5 Диаграмма сумматора-формирователя.

Многовходовый логический элемент “8-or/no” построен таким образом, что если на любой из его входов подается “логическая 1”, то на его прямом выходе подается “логическая 1”. Аналогично, инверсный выход состоит из “логического 0” (сигнал низкого уровня). Сигнал (низкого уровня) появляется на инверсном выходе. Поскольку мы строим семиканальный кодер, сигналы с блоков TB и OV1-OV-7 поступают на входы сумматора через дифференцирующие RC-цепочки (резисторно-конденсаторные цепи). Во избежание путаницы с аналогичной аббревиатурой “RC”. Это метод управления моделью с помощью пульта дистанционного управления.

Входные дифференцирующие RC-цепочки преобразуют положительные фронты относительно длинных канальных (t = 1,0 – 2,0 мс) и синхронизирующих (t = 4,0 – 12,0 мс) импульсов в короткие положительные “всплески” длительностью t(п) = 0,2-0,3 мс, из которых затем схема формирует четкие прямоугольные импульсы той же длительности. Таким образом, на инверсном выходе микросхемы мы получаем сигнал, аналогичный сигналу на рис.2 (SF), но в виде цепочки из семи одноосцилляторов. Непосредственно с микросхемы мы получим тот же сигнал, но только инвертированный.

Здесь можно найти полную техническую документацию на семиканальный энкодер, а также трассировку печатной платы для энкодера. В этой печатной плате установлены резисторы МЛТ-0,125 и конденсаторы КМ. В качестве переключателей для “реверса каналов” (S1-S7) и “сдвига частоты” (S8, удобно использовать миниатюрные DIP-переключатели, которые широко используются в компьютерах и не слишком дороги. При разработке печатной платы и макета устройства были использованы именно они. Электролитический конденсатор на 16 – 25 вольт любого типа.

Из-за отсутствия внешнего контура предоставленный шаблон печатной платы не имеет внешнего контура. Это сделано для того, чтобы печатную плату можно было расположить в соответствии с реальным размером и формой корпуса. В качестве альтернативы, если вы решите, что вам нужно только три (или пять) каналов управления, вы можете просто не припаивать к плате детали, составляющие “лишние” одноосцилляторы. Резисторы RC-цепочек можно заменить короткозамкнутыми перемычками (т.е. неиспользуемые входы микросхемы формирователя “посадить на землю”), а конденсаторы можно не впаивать.

При выборе переменных резисторов (потенциометров) следует уделить особое внимание. Их тип будет определяться конструкцией ручек управления на вашем устройстве. Для корпуса, адаптированного от отечественного промышленного передатчика (например, “Супранар” или “Новопроп”), требуются потенциометры с диаметром вала 6 мм, например, СП3 или СП4 и т.п. Если вы хотите использовать современное оборудование (например, джойстик от компьютера), то можно установить небольшие потенциометры с диаметром вала 5 – 10 мм. Такой потенциометр должен быть выбран вами самостоятельно. Когда выбранный вами потенциометр будет легко извлечен из защитного кожуха, смажьте вал и токопроводящую дорожку (ползунок) тонким слоем неагрессивной смазки. Для этой цели отлично подойдет медицинский или технический вазелин, ЦИАТИМ или хотя бы ЛИТОЛ (светлый). Выполнение этой простой операции значительно увеличит срок службы потенциометра и существенно снизит вероятность появления “шумов” и “шорохов”, возникновение которых значительно снижает точность управления и безопасность модели, особенно в авиации.

Обзор схемотехники энкодеров был бы неполным без упоминания более совершенного способа формирования PPM-сигналов – кодирующих устройств, встроенных в микроконтроллеры. Их использование позволяет максимально сократить количество деталей, а также снизить стоимость изготовления кодеров любой функциональной сложности. К сожалению, мы не можем дать подробное описание этих устройств в данной статье.