無(wú)人機(jī)是一種有動(dòng)力、可控制、能承載多種任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多種作戰(zhàn)任務(wù)并可重復(fù)使用的戰(zhàn)術(shù)飛行器，其零傷亡風(fēng)險(xiǎn)和高機(jī)動(dòng)性等優(yōu)勢(shì)引起了各國(guó)軍方的高度重視。無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程可簡(jiǎn)單劃分為起飛、高空飛行和降落三部分。高空飛行階段飛行環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，常采用無(wú)人機(jī)自主飛行方式，無(wú)需對(duì)其飛行姿態(tài)做太多人為干預(yù)。但是在起飛和降落階段無(wú)人機(jī)的速度變化大，姿態(tài)調(diào)整頻繁，起降場(chǎng)地地形、氣候等諸多復(fù)雜因素對(duì)無(wú)人機(jī)的安全造成巨大威脅，是無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)任務(wù)飛行中的事故多發(fā)時(shí)段，因此在起降階段進(jìn)行即時(shí)、準(zhǔn)確的人為調(diào)整是保障無(wú)人機(jī)飛行安全的重要手段?，F(xiàn)階段部分無(wú)人機(jī)型號(hào)采用有線(xiàn)的車(chē)載地面站外部（車(chē)外）控制器方式，讓地面操作人員通過(guò)近距離觀(guān)察無(wú)人機(jī)的姿態(tài)來(lái)實(shí)時(shí)遙控?zé)o人機(jī)。
    無(wú)人機(jī)車(chē)外控制器使用示意圖見(jiàn)圖1。

    國(guó)內(nèi)車(chē)外控制器設(shè)計(jì)研制之初考慮到地面站內(nèi)人員和車(chē)外人員的交流，加入了語(yǔ)音通信功能，但開(kāi)始只是應(yīng)用對(duì)講機(jī)進(jìn)行通話(huà)，而對(duì)講機(jī)是單工通信機(jī)制，通話(huà)時(shí)易形成競(jìng)爭(zhēng)；后來(lái)部分單位在有線(xiàn)車(chē)外控制器的信號(hào)傳輸線(xiàn)纜上增加了模擬語(yǔ)音，實(shí)現(xiàn)了車(chē)內(nèi)測(cè)控臺(tái)和車(chē)外控制人員的雙工通信，而模擬語(yǔ)音容易自激，通話(huà)易受干擾[1]。
    基于已有無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字語(yǔ)音和遙控?cái)?shù)據(jù)共同傳輸?shù)男滦蜔o(wú)人機(jī)車(chē)外控制器。本文將對(duì)其設(shè)計(jì)組成、尤其是數(shù)話(huà)同傳技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，最后對(duì)其測(cè)試和應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行介紹。
1 車(chē)外控制器的設(shè)計(jì)組成
1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成
    無(wú)人機(jī)車(chē)外控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成見(jiàn)圖2。

    (1)車(chē)外控制器遙控?cái)?shù)據(jù)的產(chǎn)生和采集
    通過(guò)車(chē)外操縱手對(duì)車(chē)外控制器各機(jī)構(gòu)(搖桿、開(kāi)關(guān)和微調(diào))的操縱，引起內(nèi)部電位器和電開(kāi)關(guān)變化進(jìn)而引起電信號(hào)的變化。變化的電壓通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路發(fā)送到微處理器（MCU），由MCU內(nèi)部的AD模塊進(jìn)行處理；變化的數(shù)字量直接輸入到MCU。MCU把當(dāng)前的遙控?cái)?shù)據(jù)顯示到液晶顯示屏上。
    (2)車(chē)外控制器語(yǔ)音數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和采集
    車(chē)外操縱手可通過(guò)麥克將自己的語(yǔ)音輸入到AD模塊，數(shù)字語(yǔ)音以9.6 kb/s的速率被音頻編碼器（ENCODER）編碼接收，同遙控?cái)?shù)據(jù)一起被MCU采集，速率為1 Mb/s。
    (3)車(chē)外控制器遙控和語(yǔ)音數(shù)據(jù)的傳輸
    遙控和語(yǔ)音數(shù)據(jù)在MCU中被組成的遙控/語(yǔ)音數(shù)據(jù)復(fù)合幀以20 ms的幀周期更新，通過(guò)對(duì)外的RS232/RS422可切換接口輸出至地面站[2]，便于不同的地面站兼容。
    (4)方艙語(yǔ)音數(shù)據(jù)的接收
    由于采用雙工通信，地面站方艙內(nèi)人員的語(yǔ)音數(shù)據(jù)通過(guò)RS232/RS422接口輸入到車(chē)外控制器的MCU中， MCU對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)幀中的語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，以1 Mb/s的速率發(fā)送到音頻解碼器(DECODER)進(jìn)行解碼，以9.6 kb/s的速率輸入到DA電路產(chǎn)生模擬語(yǔ)音，語(yǔ)音可通過(guò)耳機(jī)被車(chē)外操縱手接聽(tīng)。
    需要說(shuō)明的是，方艙里內(nèi)置一個(gè)語(yǔ)音采集器，其內(nèi)部的語(yǔ)音采集、接收和發(fā)送模塊與車(chē)外控制器內(nèi)部設(shè)計(jì)原理一致；車(chē)外控制器和語(yǔ)音采集器之間可采用長(zhǎng)度為120 m的線(xiàn)纜連接，擴(kuò)大了車(chē)外操作手的活動(dòng)范圍。
1.2 硬件設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)
    (1)芯片的選型
    MCU采用Cygnal公司生產(chǎn)的C8051F022單片機(jī)，其外圍電路主要包括信號(hào)調(diào)理電路,數(shù)字和模擬信號(hào)經(jīng)調(diào)理后輸入至C8051F022；RS232/RS422接口電路由MAX3232和MAX3490構(gòu)成；數(shù)字語(yǔ)音編解碼電路的音頻AD/DA部分選用AD/DA復(fù)合功能芯片CSP1027，數(shù)字音頻編碼/解碼芯片采用美國(guó)DVSI公司生產(chǎn)的AMBE1000[3]。AMBE1000編碼器的輸出幀和解碼器的輸入幀分別見(jiàn)圖3和圖4。

    如圖3和圖4所示，編碼器輸出幀和解碼器輸入幀的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，包含幀頭Header和ID值(共占1個(gè)B)及24 B的壓縮語(yǔ)音數(shù)據(jù)，不同的是輸出幀包含4 B狀態(tài)位，輸入幀包含4 B控制位，微處理器可根據(jù)輸出幀狀態(tài)位對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該狀態(tài)位也可直接作為輸入幀的控制位輸入至解碼器。為便于和8 bit MCU接口通信，AMBE的信道接口采用被動(dòng)并行模式。
2 數(shù)話(huà)同傳技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
2.1 MCU程序設(shè)計(jì)
    實(shí)現(xiàn)車(chē)外控制器數(shù)話(huà)同傳功能的關(guān)鍵點(diǎn)之一是微處理器程序的設(shè)計(jì)。
    MCU的程序流程圖如圖5所示。AMBE1000為主機(jī)端提供了編碼包準(zhǔn)備好信號(hào)EPR和解碼包空信號(hào)DPE，在設(shè)計(jì)上將這兩個(gè)信號(hào)分別輸入到C8051F022的外部中斷INT0和INT1端口，以中斷方式讀取和寫(xiě)入語(yǔ)音數(shù)據(jù)；與方艙語(yǔ)音采集器的數(shù)據(jù)通信通過(guò)C8051F022內(nèi)部UART0功能模塊實(shí)現(xiàn)。中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)定的先后順序?yàn)镮NT0→INT1→UART0。

    微處理器的主程序在完成初始化中斷設(shè)置和優(yōu)先級(jí)后，讀取C8051F022內(nèi)部Flash的比例指令零點(diǎn)偏移（范圍為0～255，標(biāo)準(zhǔn)零點(diǎn)為127，實(shí)際中零點(diǎn)常發(fā)生偏移，可利用按鍵調(diào)準(zhǔn)）后，循環(huán)采集按鍵和進(jìn)行LCD顯示刷新。為便于進(jìn)程間通信，程序定義了兩個(gè)bool型變量用作發(fā)送標(biāo)志和接收標(biāo)志，3個(gè)語(yǔ)音數(shù)組分別用于存儲(chǔ)從編碼緩沖區(qū)讀出的數(shù)據(jù)（語(yǔ)音數(shù)組1）、待寫(xiě)入解碼緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)（語(yǔ)音數(shù)組2）和存儲(chǔ)靜音數(shù)據(jù)的數(shù)組（靜音數(shù)組）。
    由EPR信號(hào)觸發(fā)的外部中斷0處理程序首先讀取AMBE1000編碼器緩沖區(qū)至語(yǔ)音數(shù)組1，組成遙控/語(yǔ)音幀，設(shè)置發(fā)送標(biāo)志并啟動(dòng)UART0發(fā)送中斷。進(jìn)入串口中斷0后，首先判斷中斷類(lèi)型為發(fā)送中斷還是接收中斷，若為發(fā)送中斷則啟動(dòng)發(fā)送進(jìn)程，將遙控/語(yǔ)音幀發(fā)送至車(chē)內(nèi)采集盒，之后取消發(fā)送標(biāo)志；若為接收中斷，則啟動(dòng)串口接收進(jìn)程，接收方艙語(yǔ)音采集盒發(fā)來(lái)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)，更新語(yǔ)音數(shù)組2，設(shè)置接收標(biāo)志。由DPE信號(hào)觸發(fā)的外部中斷1處理程序首先判斷接收標(biāo)志是否有效，若無(wú)效則寫(xiě)靜音數(shù)組至AMBE1000編碼緩沖區(qū)，若有效則寫(xiě)語(yǔ)音數(shù)組2至AMBE1000編碼緩沖區(qū)，之后取消接收標(biāo)志，退出中斷程序。
2.2 數(shù)字語(yǔ)音和遙控?cái)?shù)據(jù)復(fù)用
    由上述介紹可知，遙控/語(yǔ)音幀的發(fā)送周期是由AMBE1000的DPE信號(hào)觸發(fā)的，DPE信號(hào)的產(chǎn)生周期為20 ms，而方艙語(yǔ)音采集盒為異步接收，對(duì)遙控/語(yǔ)音幀的到達(dá)周期沒(méi)有嚴(yán)格要求，因此20 ms的發(fā)送周期滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[4]。
    在遙控/語(yǔ)音幀的設(shè)計(jì)中，數(shù)字語(yǔ)音和遙控?cái)?shù)據(jù)的復(fù)用成為實(shí)現(xiàn)數(shù)話(huà)同傳技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)，這里遙控/語(yǔ)音幀在設(shè)計(jì)上采用40 B/幀，幀結(jié)構(gòu)如圖6所示。

    幀結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上包含2 B幀頭，1 B幀標(biāo)識(shí)，10 B的遙控?cái)?shù)據(jù)，1 B語(yǔ)音狀態(tài)字，24 B的語(yǔ)音數(shù)據(jù)和2 B幀尾。
    串口0采用波特率為38 400 b/s，發(fā)送單幀遙控/語(yǔ)音幀占用的時(shí)間為：(40×8)÷38400≈8.33 ms，滿(mǎn)足20 ms/幀的發(fā)送周期。
3 車(chē)外控制器的測(cè)試與應(yīng)用
    在實(shí)驗(yàn)室階段，車(chē)外控制器通過(guò)RS232接口發(fā)送至上位機(jī)調(diào)試，經(jīng)串口調(diào)試助手實(shí)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7。其中EB90為幀頭，EE16為幀尾，帶下劃線(xiàn)的數(shù)據(jù)為幀頭、語(yǔ)音狀態(tài)字和語(yǔ)音數(shù)據(jù)。

    在實(shí)際應(yīng)用中，基于數(shù)話(huà)同傳技術(shù)的車(chē)外控制器已參加過(guò)數(shù)次重大科研項(xiàng)目的飛行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，語(yǔ)音通話(huà)質(zhì)量良好，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的合理性，為數(shù)話(huà)同傳技術(shù)拓展了應(yīng)用范圍。
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