电子技术与软件工程
Electronic Technology & Software Engineering
电子技术Electronic Technology
胡巍砾孟浩，
pos系统(安徽农业大学信息与计算机学院安徽省合肥市230036 )
摘要：本文提出了一种基于跳频技术的无线电遥控器，通过采用模块化的设计方法，将系统分为微控制器系统、Nokia5110液晶显 示屏系统、N R F24L01无线通信系统和摇杆控制系统，经设计开发实现了发射部分把摇杆位移产生的信号处理后通过N R F24L01无线通信模 块以不断变换工作通信频道的方式发射给相应的接收部分⑴，同时Nokia5110液晶显示屏显示遥控器的相关信息。实验结果表明，通过 不停变换工作通信频道的方式，发射机与接收机之间可以进行稳定的、高质量的通信。浙江天台中学
关键词：微控制器系统；无线电遥控器；跳频通信系统；工作通信频道；无线通信模块
无线电遥控器通常由发射部分和接收部分组成，无论是在工业 上还是在家庭中都有无线电遥控的身影。文献[2j是设计了一款红外 遥控器，可以精准测量脉宽，并可记录一些电气设备遥控器发射的 红外线数据，不够安全稳定，障碍物的遮挡对信号正常的传输有严 重的影响。文献[51用DSP和FPGA芯片实现了跳频的相关通信，但是所需要的成本比较大。本文利用STM32F103C8T6微控制器和 NRF24L01无线通信模块等作为跳频通信的主要部分，设计了相应 的发射机和接收机，接收机有相应的脉冲输出引脚，可以对接收机 相应的输出引脚进行2次开发，即让此款遥控器适用于不同的场合。1硬件系统的设计与实现
基于跳频技术的无线电遥控器的研宄与实现主要设计思想是将 嵌入式设计、射频通信设计、LCD屏幕显示设计相互融合[2]，实现安全稳定的无线控制。无线电遥控器通过采集摇杆和按键的电压值，并把电压值转换为相应的数字量，通过无线通信模块将这些数字量 发送给无线电遥控器的接收部分[3]。如图1所示。
1.1无线电遥控器发射部分
1.U控制器模块
如图2所示，本文无线电遥控器发射部分选用具有Corter-M3 内核的STM32F103C8T6微控制器作为主控制器。STM32F103C8T6 微控制器具有易开发、自身功能多、工作速度快等特点[4]。本系统 通过
STM32F103C8T6 微控制器的PBO、PA7、PA6、PA5、PA4、PB1和土极的引脚来控制Nokia 5110屏幕的显示，通过PB8、PB7、PB6、PB13、PB14、PB15 和土极的引脚来控制NRF24L01 无线通信模块进行发射部分和接收部分之间的通信。
4. 2F A C E符合性程序
FACE建立了完整的符合性程序，包括验证、认证和注册[5]。
FACE验证是确认符合性单元（UoC)符合FACE标准要求。FACE验证对照符合性验证矩阵（CVM)开展，验证方法包括目视 检查和测试等。验证工作由验证授权机构执行。
软件产品通过FACE验证后，软件供应商提交验证结果申请初 始化认证，由认证授权机构执行软件产品的FACE符合性认证工作。
软件产品通过FACE认证后，申请FACE注册。FACE注册是 将通过FACE认证的符合性单元列入FACE注册库的流程。注册库 是所有FACE认证产品的唯一来源。
5建议
借鉴FACE项目的发展历程，结合我国航空电子系统软件架构 发展现状，提出以下三点建议：
5. 1军方主导建立软件架构标准研制项目管理机构
在FACE标准项目的推进过程中，军方始终处于主导地位。军 方主导项目工作可以从顶层确保工作可以有效推进。通过成立专项 办公室负责项目管理，可以确保标准顶层需求的准确性和及时性，也可以有力推动标准的研制。当标准形成草案并逐渐成熟后，可以 委托标准化机构推动项目日常工作。
5. 2联合共建软件组件通用数据模型
FACE标准数据模型的标准化为软件组件的标准化提供了基础，通过建立通用数据模型和数据模型语言映射标准，确保了 FACE参 考架构不同段之间数据传输的互通性。在研制相关顶层架构标准时，建议从数据抓起，保证研制方采用同一套数据模型。
5. 3建立标准的验证、认证和注册机制
FACE标准建立了完善的标准符合性验证、认证和注册机制，提供了相关政策、程序、方法，确保标准的贯彻实施落到实处。我 国在开展相关标准的研制工作时，可探索如何同步建立标准符合性 验证、认证、注册机制，完善标准的执行监督体系，形成标准制定、实施、监督的长效机制。
6结束语
本文对未来机载能力环境（FACE)标准进行了详细描述，阐述了 FACE标准参考架构、数据模型、符合性政策等。FACE参考 架构通过分段和接口标准化，在一定程度上解决了航空电子软件组 件可移植性和可复用性问题，为产品研制节省了经济和时间成本，从长远来看有助于装备能力的拓展。结合我国国情，提出了航空电 子系统软件架构标准发展的三点建议，为软件架构的研制工作提供 了参考。
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[5] 未来机载能力环境技术标准（F A C E tm)综述.2016.
作者简介
王博曱（ 1989-)，男，陕西省延安市人。高级工程师，硕士学位。研究方向为航空电子标准化。
任文明（ 1984-)，男，安徽省合肥市人。高工，硕士学位。研究 方向为接口互操作性、航空装备标准化。
2013广东高考理综99
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邏分《校1•播收部分
图1：系统总体结构
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图 2:S T M32F103C8T6 电路图
图3：电源模块原理图
方向
Si 油丨]VC，C 3V
CH32
I
S2
图4：摇杆电位器模块电路图
1.1.2电源模块
电源电路设计在系统中具有举足轻重的地位，电源电路设计的 好坏直接决定了系统各个模块正常的工
作状态、使用寿命，在很大 程度上决定了整个遥控设备发射部分的稳定性和鲁棒性。本文只需 给STM32F103C8T6微控制器3.3V的电压即可使无线电遥控器发射部分正常工作。其余的摇杆电位器、液晶屏显示模块、无线通信 模块也都是需要3.3V的电压即可驱动。STM32F103C8T6微控制器 电源系统中的ME6211-3.3是一款性价比很高的线性稳压器，被广 泛应用于各种电源模块中，以便提高电源模块的稳定性[5]。该微控 制器的电源系统原理图如图3所示。
1.1.3摇杆电位器模块
摇杆电位器被广泛应用于各种手柄中，本文中的遥控器发射部 分中存在两个摇杆电位器模块，摇杆电位器可以把其看成一个简单 的滑动变阻器的增强版。每个摇杆电位器可以看成是两个滑动变阻 器的组合，其中两边都各有正负极和•个电压信号输出引脚，给两 边的正负极引脚提供3.3V的电压，后期通过操纵者推动摇杆来改 变每个通道上的电阻，中间的电压信号输出引脚接在模数转换的检 测引脚上，通过检测到因为摇杆位移而造成变化的电压值，并通过 模数转换器转换成无符号的数字量[61。如图4所示。
1.1.4模数转换器模块
ADC即模拟数字转换器是将自然界中的电压、温度、湿度等 这样的连续变化的信号转换成不连续的，人为抽象出来的间断的信 号，以便于让程序去更好地去读取外界信息，并对外界信息进行进 一步的
分析处理。STM32F103C8T6微控制器包含了 2个模拟数字 转换器。我们只用了其中一个模拟数字转换器的0〜3通道，这4个 通道分别用来检测摇杆电位器的4个主要通道，即左右两个摇杆的 上下左右主方向的位移量的测量。此微控制器中的模拟数字转换器 的检测电压范围是0〜3.3V即可，否则会烧坏其模拟数字转换器，故摇杆电位器只需要给其提供3.3V的电压即可，这样检测摇杆电 位器的电压信号输出就不会超过3.3V。因此微控制器内部包含模 拟数字转换器，故不需要再外接相应模块，只是需要将相应通道对 应的模拟数字转换器的引脚连接在被测电压上面。本无线电遥控系 统采用ADC1的通道0 (PA0)、通道1(PA1)、通道2(PA2)、通道 3(PA3)和摇杆电位器的被测电压引脚连接在一起。具体电路连接如 图5所示。
1.1.5无线通信模块
NRF24L01无线通信模块因其体积小、只需要3.3V的供电电 压便可以驱动、价格便宜等优点从而被广泛应用于各种市面上的各 种遥控设备上，其输出频率和工作通信频道可通过程序去设定，例 如此微控制器中的NRF24L01_Write_Reg(u8 reg，u8 value)函数中的 第二个值就是用来设定无线赴信模S的工作通信频道，无线通信模 块的通信协议是SPI通信协议[11，此通信协议比较简单，数据传输 速率快，都使得此通信模块具有优良的性价比。如表1所示。
无线通信模块和STM32F103C8T6微控制器的具体接线图如图 6所示。
1.1.6液晶显示屏模块
Nokia5110液晶屏是原来一款手机的拆机屏，具有体积小、3.3V 供电电压和易编程等优点。可以显示图片和汉字，而且市场上库存 量很大，不用担心库存的问题，需要在上面显示汉字时候，利用取 字模软件，将相应大小的汉字转换成十六进制输出，再在程序中利 用相应的显示函数把十六进制的汉字输出显示在屏幕相应位置上。显示图片同样也是借助取自字模软件得到图像的像素数组，显示的 图片像素大小有限制，注意像素不能太大，不然不能正常显示相应 的图片m。Nokia5110与STM32F103C8T6微控制器的具体接线图 如图7所示。
•基金项目：“十三五”国家重点研发计划课题“江淮中部粮食生产智能化作业与全程信息化关健技术研究”（2017Y F D0301303 )。
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秩和比法电子技术Electronic Technology
STM32F103C8T6 摇杆
图5:Stm32f l03c8t6微控制器和摇杆电位器引脚连接图
GND
VCC
图6：无线通信模块和S T M32F103C8T6微控制器的接线图
G N D
图7:Stm32f l03c8t6微控制器和Nokia5110液晶屏引脚连接图 1.2无线电遥控器接收部分
1.2.1遥控器模块
无线电遥控器接收部分控制器模块同样釆用STM32F103C8T6 作为微控制器，其微控制器电路图与图2相同，这里不再赘述。1.2.2电源模块
无线电遥控器接收部分控制器模块，同样借助外部的5V输出 或者3.3V输出的电源供电即可，主控制器内部的电源模块电路图 与图3相同，这里不再赘述。
1.2.3无线通信模块
无线电遥控器接收部分同样采用低功耗、及时性强的NRF24L01无线通信模块。无线通信模块的详细信息说明如表1所 示。无线通信模块具体引脚和STM32F103C8T6微控制器的引脚接
图8：系统运行主流程框图
图9：发射部分开机正常运行调试图
图10：发射部分与接收部分对频调试图线图如图6所示。这里不再赘述。
2系统软件设计
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Electronic Technology & Software Engineering 表h无线通信模块引脚使用表
序号名称引脚功能描述
1GND电源接地（0V)
2VCC电源正极（+3V)
3CE数字输入R X或T X模式选择
4CSN数字输入SPI片选信号
5SCK数字输入SPI时钟
6MOSI数字输入从SPI数据输入脚
7MIS0数字输出从SP丨数据输出脚
8IRQ数字输出可屏蔽中断脚
表2：无线电遥控器正常运行数据
通道号功能推动情况 电压（U/v)接收部分接收到的数字量接收部分接收到的脉宽（T/ps)
向右推动45度 0.01V0IO O O jis 0未定(右摇杆）回中 1.64V1201480^s
向左推动45度 3.32V240196〇ns
向上推动45度 0.01 V01O O O fis 1油门(右摇杆）回中 1.65V1201480(is
向下推动45度 3.34V2401960^is
向右推动45度 3.33V2401960|is 2左右(左摇杆）回中 1.63V1201480|is
向左推动45度 0.0IV01000|is
向上推动45度 0.01V01000|is 3上下(左摇杆）回中 1.69V1201480^is
向下推动45度 3.34V2401960卩s
» XCOM V2.0-□X 2.1.1发射部分控制器程序流程
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图11：接收部分串口调试助手
2.1无线电遥控器程序流程
上面对无线电遥控系统的硬件电路各个模块做了详细的阐述，本节将着重介绍无线电遥控器控制系统的软件设计。控制系统的软 件设计也决定着无线电遥控性能的好坏。是整体系统的核心所在，无线电遥控器的跳频通信、摇杆电位器变化电压的采集、接收部分 把接收到的变化电压的数字量转换为脉冲输出等都依托着软件系统 的实现。软件系统主要实现了发射部分先主动与等待中的接收部分 进行对频操作，对频成功后，发射部分再按照设定好的跳频序列进 行每秒100次的跳频操作，同时把摇杆电位器的运动变化通过无线 通信模块传输过去，接收部分再把接收到的摇杆电位器运动信号转 换为脉冲信号最终通过相应的引脚输出[8]。具体的程序流程框图如 图8所示。
为了保证系统的稳定性以及功能的多样性，在无线电遥控器开 机阶段，遥控器发射部分会进行Nokia5110液晶屏等各个模块的上 电初始化。同时开机时会对进行NRF24L01无线通信模块进行检测，查看有无正常连接。在正常连接的情况下，程序才会进入对频阶段，并且Nokia5110液晶屏会警告显示“（无线）模块错误”，从而提 醒你检查NRF24L01无线通信模块有没有正常连接。当连接是正确 的时候，程序会首先开始检测油门是否安全，即控制油门信号的摇 杆电位器的摇杆有没有回中，并且Nokia5110液晶屏会警告显示“油门不安全”，当油门摇杆电位器的摇杆正式回中时候，才会正常显 示遥控界面。这时，点击“菜单”按键进入主菜单设置界面，把两 个摇杆电位器的摇杆产生的相应变化电压转换为0-4096的变化的 数字量，根据数字量的改变去判断摇杆电位器的摇杆具体的移动情 况，
用其中一个摇杆的移动去控制屏幕主菜单（主菜单内容：工作 模式、新鲜功能、通道设置、快捷功能、系统设置）功能选项的具 体选择，另一个摇杆电位器的横向移动去进行二级菜单（二级菜单 内容：新建接收、音效开关、显示切换、发射功率）的进入，进入 二级菜单过后再通过其中一个摇杆电位器的摇杆选择二级菜单中 “新建接收”功能选择，系统此时会正式把发射部分的NRF24L01 无线通信模块设置成发射模式|91。具体工作通信频率公式如下所示。
F〇=(2400+RF-CH)MHz(1)
在上述操作进入“新建接收”功能选项后，接下来的对频操作 会按之前设定发射部分的对频工作通信频率为2440M Hz去对频，即在 NRF24L01_Write_Reg(u8 reg,u8 value)SPI 写寄存器函数中设置第二个参数value写入的值为40|iq，并且由发射部分在2440MHz 工作通信频率上先发射一个启动标志，等待无线电遥控器的接收部 分成功接收到此启动标志后才开始正式的跳频通信。这时摇杆电位 器各个方向的运动变化被时刻转换为0-4096的变化的数字量，因为NRF24L01发送数据函数中发送的数组是8位长度的数据类型[nl，所以将4096数字量缩小•定倍数，让其变成255以内的数字量，
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使其能顺利通过无线通信模块在不断变换工作通信频道的方式下传 输出去。同时Nokia 5110液晶屏会显示4个遥控器主通道变化的幅 度，以及以进度条的方式直观显示油门摇杆的变化幅度。2.1.2接收部分控制器程序流程
无线电遥控器接收部分同样也设置了开机阶段对于NRF 24L 01 无线通信模块的检测。当无线通信模块没有正确连接时候， STM 32F 103C 8T 6微控制器会有相应的LED 指示灯会亮起，提醒 操纵者去确认无线通信模块有没有出现接触不良或者意外脱落的情 况。当无线通信模块被重新接好时，系统软件就会让无线电遥控系 统的接收部分的无线通信模块设置成接收模式。接收部分为了配合 发射部分的主控制器的开机阶段选择的对频操作，于是在接收部分 主控制器也同样设定工作通信频道为40，即2440M Hz 去对频。接 收部分工作通信频道设置为40是为了和发射部分工作通信频道保 持一致。无线电遥控器接收部分程序停在正式接受到发射部分发送 过来的启动标志。当接收到启动标志后，接收部分就会也进行同样 的跳频操作。接下来接收部分每20m s 查看一次发射部分发射过来 的摇杆摇动产生的变化的数字量，一共需要查看的是数组中的4个 变量，4个变量分别代表无线电遥控器发射部分传送过来的左右摇 杆主要的4个方向的变化量，通过判断判断这个4变量变化的程度 来决定每个通道高
电平的延长时间，周期就是设定20ms ，并且通 过定时器设定相同的跳频频率，设定每秒跳100次，即每l 〇m s 按 照事先设定好的和无线电遥控器发射部分一致的跳频序列去改变工 作通信频道。3系统调试 3. 1模拟调试
各个模块在喷锡板上焊接完成之后，为了查看具体功能有没有
潜在的问题，具体相关测试具体过程如下。
(1) 先给焊接好的喷锡板上的各个模块供电，当Nokia 5110
液晶屏模块可以正常显示开机画面的时候，查看液晶屏背光按键是 否正常，并推动摇杆电位器，查看液晶屏上对摇杆推动方向数值的 变化以及油门进度条的显示是否正常。
(2) 点击发射机右侧的按键，进入主菜单设置界面，推动右 摇杆上下运动选择新鲜功能，再推动左摇杆向左运动进行新鲜功能
的确定并进入二级菜单。查看二级菜单能否正常显示。
(3) 若二级菜单能够正常显示，同样继续推动右摇杆上下运
动选择新鲜功能，再推动左摇杆向左运动进行新建接收功能的确定， 如果发射机与接收机成功对频成功并顺利进入跳频通信，则发射机
与接收机指示灯会共同亮起，并且在接收机通过USB 转TTL 模块 在电脑串口调试助手上可以显示发射机传输过来的摇杆的变化的数 字量信息。还可以通过示波器观看传输过来的脉冲。
如果运行状况正常，无线电遥控器发射部分的液晶屏开机会提 示油门是否安全，当右边的油门归零后，液晶屏会正常显示出开机 画面。模拟调试状态下，无线电遥控器发射部分开机正常显示画面 如图9所示。进行和接收机的对频连接操作如图10所示。通过电 脑串口调试助手显示接收部分接收到的变化的电压信号具体如图11 所示。
3. 2系统数据分析
数据分析是由操作人员推动无线电遥控器的发射部分的摇杆， 分析接收部分获取到的变化的电压信息以及采集到的波形，判断本 系统是否正常工作。
首先给无线电遥控器发射部分和接收部分供电，当油门摇杆没 有归零，Nokia 5110液晶屏会有油门不安全的提示，操作人员只有 把油门归零后才能顺利进入下一步的操作。当通过发射部分上的按
键点击，进入主菜单界面，选择新鲜功能选项，进入二级菜单后， 再次选择新建接收功能，此时等待
发射部分和接收部分的led 灯同 时亮起。此时通过推动左右两个摇杆可以把产生的变化的电压信息 通过不断变化的工作通信频道传递给接收部分。紧接着可以在电脑 串口调助手上查看到由变化的电压转化过来的数字量信息。
无线电遥控器正常启动时，在开启对频功能后，无线电遥控器 接收部分接收到的摇杆信号数字量如表2所示。从表中的数据可以 看出推动遥控器发射部分的摇杆，可以将发射部分的摇杆电位器产 生的变化的数字量输送给接收部分。当发射部分的摇杆电位器产生
移动时，接收部分会接收到变化的电压信号，并且数字量在0〜240 之间变化。脉宽也会随着摇杆位移状态的改变而改变[12]。表2完全 符合无线电遥控器正常运行的情况，所以可以判断此时无线电遥控 器工作状况正常。4结论
本文针对无线通信技术中的稳定性、安全性问题进行了探 讨，采取不断改变其工作通信频道的方式，并利用液晶屏模块， NRF 24L 01无线通信模块、摇杆电位器模块等进行了无线电遥控器 发射部分与接收部分的研制。最后进行了相关跳频和对频功能的测 试，测试结果和预期一致。设计和实现了基于跳频技术的无线电遥 控器的发射部分和接收部分。
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作者简介胡巍砾（ 1996-)，男，安徽农业大学信息与计算机学院计算机应 用技术专业，研究生。研究方向为物联网。
孟浩（ 1962-)(通讯作者），男，安徽农业大学信息与计算机学院， 教授，硕士生导师。研究方向为智能装备和机器人。
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