揭开无人机神秘面纱系列之5一飞控系统连接一切的通信接口

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有了处理器，就要通过接口与各种传感器连接，才能够进行数据交换，发出控制信息，读取传器数据。随着电子技术的发展各种适用于飞行器的设备层出不穷，因为类型不同，所以也会用到不同类型的数据接口。下面讲讲无人机上常见的接口和他的特点。

各种串口

串口是目前控制领域最常见的设备接口，硬件形式有TIL、RS232、、RS422，RS485等几种。TIL是基本信号，常见的有三针用法，一针用于信号输入叫RX，一针用于信号输出叫TX,另一针为信号基准地线。一般0伏和3-5V分列表示0和1，飞控自带的都是这种串口，而且会带很多个，用于连接多个设备，常见的PIXHAWK飞控有5个TIL串口。但是TIL信号电压较低，尚不合适1米以上的长距离运输。于是发展出RS232接口，它使用正负电平表示0和1，其他与TIL相同，极大延长了传输距离。但是它的速度依然不足，于是又改进发展出RS422接口，RX和TX每路信号都变为两根信号线，每对线上分别使用正负电压表示相同信号，这种传输方式叫作差分传输，当信号受到干扰时，正负信号的差依然不变，所以干扰被巧妙地抵消，传输距离和速度实现双飞跃。但是RS422接口需要5根线，这给调试造成了很大的麻烦，目前主要是军品使用这种串口，RS485串口是结合RS232和RS422优点，使用一对差分信号进行通信，但是信号线上既接收信息，又发送消息，所以还需要额外一个控制箱号控制收发转换。RS485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、校验等工作都需要工程师专程序去协调。工作量巨大，现在很少人用。

SPI和I2C SPI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个信号：主入从出(MIS0)，主出从入(M0SI)，时钟(CLK)和地线(GND)。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，但是每个设备必需带有片选控制。SPI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(SDA)、时钟(SCK)和地线(GND)。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人输出、有主设备来管理。I2C上所有设备都自带一个地址，或叫标签，用来替代片选功能,节省大量单片机管脚资源，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，比如指示灯、外置磁罗盘、空速、超声波、激光测距等。居然有厂家为了降低成本，用这个总线连接多旋翼的电调，从电子设计的角度。这样做是很危险的。因为I2C使用3-5伏电平传输信息，在长距离传输中容易受干扰。

CAN总线是为汽车设计的总线接口。因为采用了电流传输的信号形式，所以抗干扰性能较强，专门用于电磁干扰比较大的环境，进行多设备的远通信。CAN总线只有H和L两个信号线，所有设备都连接在上面，总线芯片负责仲裁仲。这其实是无人机机载设备，尤其是多旋翼电调的最佳选择。但是由于复杂性和接口芯片成本同题，很少有人采用，PIXHAWK飞控和ESC32电调多年前就已经具备该接口，PX4小组甚至专门开启了UAVCAN项目，但是国内至今无人问津。

SD10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，所以逐渐成为高级飞控的必备设备，用于飞行记录、事故分析和故障诊断等。

PWM与PPM PWM(Pulse-Width Modulatio,脉宽调制)信号是所有航模和无人机都离不开的信号形式。它是单线单向信号，在二根线上周期发送正脉冲，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，用于对一个舵机或一个电调进行控制。PWM信号的优点是简单、稳定地传输一个可量变的信号，缺陷是速度低，目前常见的标准是每秒50次或300-500次。PPM是PWM的升级版，就是每个信号周期发送一组脉冲，由多个脉宽组合，这样可以在一个信号线上同时传递多个通道的变化信息。PPM信号早期也被用于遥控器无线电信号和航模模拟信号，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，是无人机系统必配。其优点是稳定传输多个通道，缺点是速度比PWM还要慢。

S.BUS是日本遥控器厂商FUTABA公司设计的一种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扩展连接多个舵机和电调。所以S.BUS其实是一种总线，其原理其实就是改进的串口协议，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S.BUS也是飞控连接接收机的不错选择。

A-D转换接口这种易被干扰的古老接口还在使用，机载设备使用电压变化表示需要输出的数据，飞控则采集这个变化得到数据。目前飞控主要用A-D转换接口来测量系统的电压、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使用A-D转换接口,但是巳经基本处于淘汰边缘，效果远远不如数宇设备。不过其成本较低，比如空速和超声波

Relay其实就是数字1 0信号，只有0和1两种状态，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功能。

USB是民用总线接口，主要用于计算机连接外部设备，可以通过HUB连接多个设备，又具有给设备供电的功能，可以说是一种完美的接口，但是其协议过于复杂，编程量极大，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。在飞控上主要用来在地面连接计算机进行调试、读写参数等。