PPM-кодер для RC-аппаратуры
Эта статья открывает новый цикл, в котором будут подробно описаны принципы работы и схемотехника устройств дистанционного управления моделями. Мы расскажем, как самостоятельно изготовить все радиоэлектронные узлы (блоки), из которых можно будет в дальнейшем скомпоновать RC-аппаратуру - от простой, трехканальной, до достаточно сложной, семиканальной.
Любая аппаратура для дистанционного пропорционального управления моделями начинается с кодера - устройства, преобразующего угол отклонения ручек управления в электрический сигнал, который затем будет расшифрован приемной стороной и с помощью исполнительных устройств изменит положение рулей управления модели.
В большинстве случаев для эффективного управления любой моделью обычно бывает достаточно 2-4-х пропорциональных каналов управления. И только очень сложные модели требуют для управления 6-ти, 8-ми, а порой, даже и большего числа независимых каналов. В основном, это авиационные модели, такие, как нетривиальные и гигантские копии, пилотажные модели, кроссовые планера, модели вертолетов, а также, судо- и автомодели-копии, имитирующие многочисленные функции реальных прототипов.
Все промышленные образцы аппаратуры (мы говорим, прежде всего, об аппаратуре для управления авиамоделями) имеют на пульте управления (это устройство совмещает функции кодера и передатчика) два основных органа управления - ручки, выполненные по типу двухкоординатных джойстиков. Одна такая ручка позволяет управлять сразу двумя рулями на модели, например рулем высоты (движение ручки "вперед-назад") и рулем направления (движение ручки "вправо-влево"). Разумеется, оба эти движения возможно осуществлять одновременно и независимо друг от друга. В самых простых моделях аппаратуры ручки могут быть однокоординатные (только "вперед-назад" или "вправо-влево"). Кроме того, на пульте может быть размешено до 6-ти дополнительных пропорциональных органов управления линейного типа (движковый резистор) или поворотного типа (поворотный резистор). Наряду с этим, на пульте обычно устанавливают несколько (до десятка и более) дискретных органов управления - кнопок и переключателей различного вида на 2-3 положения с фиксацией или без таковой.
Казалось бы, число каналов должно быть равно общему числу имеющихся органов управления, но это далеко не так. На практике обычно число каналов не превышает 8. Многие органы управления, как пропорциональные, так и дискретные, выполняют вспомогательные функции, и, чаще всего, используются только в процессе настройки модели и подготовке ее к запуску, в том числе и для выполнения конкретного упражнения (например - кроссовые планера), или на конкретную погоду.
Рассмотрим подробно, как вообще происходит процесс пропорционального дистанционного управления. Предположим, что от положения ручки управления на передатчике зависит ширина (точнее - длительность, t) прямоугольных импульсов, вырабатываемых НЧ генератором. В среднем положении ручки t(ср) = 1.5 мс. При отклонении ручки в ту или иную сторону длительность импульса изменяется: от t(к) = 1.0 мс, до t(д) = 2.0 мс, таким образом, любому положению ручки управления соответствует строго определенная длительность импульса. Пауза между соседними импульсами примерно равна t(п) = 0.2-0.3 мс. В каждой рулевой машинке (РМ) имеется электронное устройство, регулирующее угол поворота исполнительного органа (вал с рычагом) в зависимости от длительности поступающего импульса, следовательно РМ, на которую подается такой импульсный ряд, будет повторять движение ручки управления!
Если теперь добавить еще одну ручку (или координату движения на первой ручке), и с ее помощью изменять длительностью каждого второго (четного) импульса, то такой импульсный ряд будет нести информацию о перемещении уже двух ручек (или о перемещении ручки по двум координатам), и т.д.
Правда для того, чтобы приемная сторона знала, какой по счету импульс предназначен для первой, второй и последующих РМ, придется ввести еще один, синхронизирующий, импульс. Его длительность обычно задается в пределах 10 мс, но, по некоторым причинам (их мы рассмотрим позже), не является постоянной. Общепринятым стандартом является "пачка" из 1-го синхронизирующего и 8-ми информационных (канальных) импульсов. Этот процесс происходит циклически и непрерывно. В приемнике имеется декодирующее устройство, которое "раздает" канальные импульсы соответствующим РМ.
Подобный метод кодирования и передачи аналоговой информации в цифровом виде давно применяется во многих отраслях техники. По-русски этот способ кодирования называется ШИМ - "широтно-импульсная манипуляция". Не модуляция, т.к. речь идет именно о манипуляциях над сигналом (прерывании), а не его модуляции - плавном изменении амплитуды. Вообще, применение термина "модуляция" более приемлемо в тех случаях, когда речь идет об обработке аналоговых сигналов. В нашем случае речь идет о цифровых (импульсных) сигналах, т.е. сигналах, в которых "уровень" изменяется скачкообразно (телеграфно) и заменяет понятие "амплитуда".
Грамотные радиоспециалисты могут со мной не согласиться по поводу такой терминологии. Поэтому уточню: говоря о манипуляции, я имею в виду всю и информационную пачку PPM-сигнала, а не отдельно взятый канальный импульс, который безусловно модулируется по ширине (по длительности) в зависимости от положения ручки управления. Но вся пачка, которая и является "носителем" многоканального PPM-сигнала, имеет неизменный период следования длительностью 20 мс (что соответствует частоте 50 Гц), и только прерывается (манипулируется) следующими друг за другом канальными импульсами, количество которых так же неизменно (изменяется только их длительность). Следует также иметь в виду, что термин "модуляция" обычно применяется в тех случаях, когда несущая частота как минимум на 2-3 порядка (в 100-1000 раз и более) выше модулирующей частоты. У нас же частота следования канальных импульсов в пачке (500-1000 Гц, что соответствует периоду 2.0-1.0 мс) в 10-20 раз больше частоты несущей! Именно это и дает мне основание применить термин "манипуляция". Кроме того, при рассмотрении работы RC-передатчика мы будем употреблять термин "модуляция" применительно к изменению высокочастотного сигнала, излучаемого антенной, и чтобы не путать эти два процесса, целесообразно называть их различными терминами.
В английском варианте ШИМ эквивалентна РРМ - Phase-Pulse-Manipulation. Иногда, по аналогии с РРМ, встречается название ФИМ - "фазо-импульсная манипуляция", но на наш взгляд, термин ШИМ точнее отражает суть процесса. Далее мы будем использовать аббревиатуру РРМ, как более понятную моделистам.
Стандарт РРМ кодирования, общепринятый в аппаратуре дистанционного управления моделями, рассчитан на обработку максимум 8-ми пропорциональных каналов. Для того чтобы понять, чем вызвано это ограничение, рассмотрим структурную схему кодера и процесс формирования РРМ сигнала подробнее.
Тактовый генератор (Блок ТГ) вырабатывает прямоугольный импульсный сигнал с частотой 50 Гц, т.е. с периодом следования тактовых импульсов Т = 20 мс. В аппаратуре разных фирм период тактовых импульсов может несколько отличаться от усредненного значения в ту, или иную сторону (Т = 18 - 25 мс). Положительный фронт тактового импульса запускает одновибратор 1 (блок ОВ1) и одновременно подается на сумматор-формирователь (блок СФ). Одновибратор 1 генерирует одиночный импульс отрицательной полярности (точнее - соответствующий уровню "логический 0"), длительность которого определяется положением ручки управления 1-го канала. В среднем положении ручки длительность этого импульса t = 1.5 мс. При изменении положения ручки из одного крайнего положения в другое, длительность импульса будет плавно изменяться в пределах t = 1.0-2.0 мс. Задний, положительный фронт импульса, сформированного ОВ1 запустит следующий одновибратор 2 (Блок ОВ2) и так же попадет на сумматор-формирователь (Блок СФ). Далее процесс будет повторяться, до тех пор, пока не отработает одновибратор 8 (Блок ОВ8).
Рис.1 Блок схема аналого-цифрового кодера
Количество одновибраторов в этой цепочке ограничивается лишь периодом следования тактовых импульсов. В нашем случае все одновибраторы должны успеть последовательно отработать за время, равное Т = 20 мс. С учетом того, что максимальная суммарная длительность всех восьми одновибраторов может быть равна t(общ) = 8 * 2.0 = 16.0 мс (вариант конечно, маловероятный, но не исключаемый), получается, что на синхронизирующий импульс (синхропаузу) у нас остается всего: T - t(общ) = 20 - 16 = 4 мс. Это именно то минимальное время, которое необходимо для четкой (синхронной) работы декодера на приемной стороне. В другом критическом случае (при минимальной длительности всех канальных импульсов) длительность синхропаузы возрастет до 12 мс. Добавление в цепочку ОВ1 - ОВ8 еще хотя бы одного одновибратора может привести к "вырождению" синхропаузы в момент предельного отклонения всех ручек в одну сторону (t(общ) = 20 мс), что, в свою очередь, нарушит синхронность работы приемного декодера. Именно эти причины ограничивают количество каналов управления. В принципе, можно увеличить период следования тактовых импульсов и "нарастить" количество каналов, но это тоже не желательно по причинам, о которых мы поговорим подробнее, когда будем рассматривать работу декодера и рулевых машинок.
Сумматор-формирователь (Блок СФ) не только суммирует сигналы тактового генератора и одновибраторов, но и формирует длительность пауз между канальными и синхронизирующими импульсами. Как мы уже знаем, длительность паузы t(п) = 0.2-0.3 мс.
На следующей диаграмме в графическом виде показан процесс формирования "пачки" управляющих импульсов. Следует иметь ввиду, что РРМ сигнал на диаграмме изображен в инвертированном виде, т.е. на инверсном выходе СФ.
Рис.2 Эпюры сигналов (нажмите для увеличения)
Далее мы будем рассматривать варианты трех-, пяти- и семиканального кодера, поэтому максимальное число блоков ОВ в формирующей цепочке (а так же количество канальных импульсов в пачке) не будет превышать 7. Выбранное нами максимальное число каналов определено, с одной стороны, принципом "разумной достаточности", а с другой стороны - используемой элементной базой, которая имеет конструктивные ограничения.
Схемотехнически реализовать кодирующую систему можно различными способами, как простыми (но не очень точными и стабильными в работе), так и неоправданно сложными. Мы постараемся найти компромиссный вариант, который при относительной простоте обеспечит необходимую точность работы и будет не очень дорог. При построении системы постараемся использовать общедоступные, недорогие детали, которые можно приобрести в большинстве радиомагазинов.
За основу возьмем микросхему CD4098 (или ее отечественные аналоги - К561АГ1, К1561АГ1). Микросхема представляет собой сдвоенный ждущий мультивибратор (одновибратор), т.е. в одном корпусе содержит сразу два одинаковых функциональных элемента. Стоит микросхема примерно 7 - 9 рублей (именно за такие деньги я покупал эти детальки в магазинах разных городов Свердловской области). Ее работоспособность гарантируется в диапазоне питающих напряжений от 3 до 18 вольт. Мы будем использовать "модельное" питание 9.6 вольт (именно такое напряжение выдают 8 NiCd аккумуляторов - стандартный источник питания RC передатчиков).
Несмотря на то, что основное назначение одновибратора - генерация одиночных импульсов, введением цепей обратной связи его не сложно перевести в режим непрерывной генерации (автогенерации). Именно так мы построим тактовый генератор для кодера, используя первую половину нашей микросхемы. (Здесь, и далее, мы не будем показывать цепи питания микросхем, т.к. это не принципиально для анализа работы схемы).
Рис.3 Схема тактового генератора
При указанных номиналах резисторов и конденсаторов частота генерации будет f = 50 +/- 5 Гц. Учитывая, что мы строим кодер с максимальным числом каналов равным 7, нас этот разброс вполне устроит. Если же вам все-таки потребуется более точно настроить или изменить частоту генерации, это можно сделать, изменяя номинал любого из двух резисторов. Увеличение номинала приведет к понижению частоты (увеличению периода), а его уменьшение - увеличит частоту генерации (уменьшит период импульсов). Следует сказать, что сигнал этого генератора не является "меандром", т.е. длительность импульсов не равняется длительности пауз между ними, но для нас это не играет никакого значения. Есть еще один термин, характеризующий этот параметр - "скважность", или отношение периода импульсов к их длительности - T / t. У "меандра" скважность равна 2.
Первый одновибратор кодирующей цепочки мы построим на второй половинке этой же микросхемы.
Рис.4 Схема одновибратора
Указанные на схеме номиналы деталей обеспечивают регулировку длительности канального импульса в пределах от t(к) = 0.9 мс до t(д) = 2.1 мс, т.е. с небольшим запасом по регулировке. Переключатель S позволит вести функцию "реверс канала", т.е. позволит изменять направление движения рулевой машинки относительно движения ручки управления. От этого переключателя можно безболезненно отказаться.
Еще на одной аналогичной микросхеме мы соберем одновибраторы для следующих двух каналов - второго и третьего, подключив их последовательно. Очевидно, что добавив еще одну или две микросхемы мы получим уже пяти- или семиканальный кодер.
Последний функциональный элемент нашей системы - это сумматор-формирователь. Мы его построим используя микросхему CD4078 - восьмивходовой логический элемент "или". Именно эта микросхема ограничила количество каналов нашего кодера. Такую микросхему также можно приобрести в магазине за 5 - 6 рублей. Ее особенность состоит в том, что она имеет два выхода - прямой и инверсный. Это позволит нам очень просто реализовать еще одну интересную функцию, не совсем верно называемую в литературе по RC системам "сдвигом частоты вверх или вниз".
Суть этой функции мы подробно рассмотрим позднее, когда начнем конструировать ВЧ блок передатчика. А сейчас, не вдаваясь в подробности, коротко поясним: требования к полярности РРМ сигнала, в отличие от его временных характеристик, не стандартизированы. Производители RC аппаратуры применяют в своих аппаратах ту или иную полярность сигнала по своему усмотрению. Это приводит к несовместимости приемников и передатчиков изготовленных разными фирмами. Наша задача - построить систему максимально совместимую по параметрам с любым типом промышленной РРМ аппаратуры.
Рис.5 Схема сумматора-формирователя (нажмите для увеличения)
Многовходовой логический элемент "8-или/не" устроен так, что при появлении на любом из его входов "логической 1" (сигнала высокого уровня), на его прямом выходе также появляется сигнал "логическая 1". Соответственно, на инверсном выходе появляется "логический 0" (сигнал низкого уровня). Сигналы от блоков ТБ и ОВ1-ОВ-7 (напомню, что мы строим семиканальный кодер), поступают на входы сумматора через дифференцирующие RC-цепи (резисторно-емкостные цепи). Не путать с аналогичной аббревиатурой "RC" - Remout Control или Radio Control, широко применяемой в моделизме.
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 микросхема формирует затем четкие прямоугольные импульсы такой же длительности. В итоге на инверсном выходе микросхемы мы получим сигнал, аналогичный изображенному на Рис.2 (СФ), но в варианте цепочки из семи одновибраторов. На прямом выходе микросхемы, соответственно, будет тот же сигнал, но только в перевернутом виде.
Полную техническую документацию - принципиальную схему семиканального кодера и вариант трассировки печатной платы для него можно скачать здесь. Печатная плата рассчитана на установку резисторов МЛТ-0.125 и конденсаторов КМ. В качестве переключателей "реверса каналов" S1-S7 и "сдвига частоты" S8 удобнее всего использовать миниатюрные DIP-переключатели, широко применяемые в вычислительной технике, и тоже не дорогие. Именно они применялись при макетировании устройства и разработке печатной платы. Электролитический конденсатор любого типа на напряжение 16 - 25 вольт.
Обратите внимание на то, что приведенный шаблон печатной платы не имеет внешнего контура. Это сделано для того, чтобы вы могли при конструировании устройства скомпоновать печатную плату исходя из фактических размеров и геометрии используемого корпуса. В том случае, если вы решите, что вам достаточно всего трех (или пяти) каналов управления, вы можете просто не впаивать в плату детали, из которых формируются "лишние" одновибраторы. Резисторы формирующих RC-цепочек, связанных с отсутствующими одновибраторами можно заменить на короткозамкнутые перемычки (т.е. неиспользуемые входы микросхемы формирователя "положить на землю"), а емкости - не впаивать.
Особое внимание необходимо уделить выбору переменных резисторов (потенциометров). Их конкретный тип будет определяться конструкцией ручек управления вашего устройства. При использовании старого корпуса от отечественного промышленного передатчика (типа "Супранар" или "Новопроп") необходимо будет применить потенциометры с диаметром вала 6 мм, такие, как СП3 и т.д. Если же вы планируете использовать более современную технику (например - механизмы джойстиков от компьютеров), там могут быть установлены малогабаритные потенциометры с диаметром вала 3 - 4 мм. В этом случае выбирать конкретный тип регулятора вам придется самостоятельно. Если у выбранного вами потенциометра несложно снять защитный кожух, желательно смазать его вал и резистивную (токопроводящюю) дорожку, по которой движется ползунок тонким слоем неагрессивной смазки. Очень хорошо для этой цели подходит медицинский или технический вазелин, ЦИАТИМ, или, в крайнем случае - ЛИТОЛ (светлый). Эта простая операция существенно увеличит срок службы потенциометра и значительно снизит вероятность возникновения "шумов" и "шорохов", появление которых резко снижает точность управления и безопасность эксплуатации модели, особенно - авиационной.
Обзор схемотехники кодеров не будет полным, если не упомянуть о более прогрессивном способе формирования РРМ сигнала - о кодирующих устройствах на микроконтроллерах. Их применение позволяет максимально упростить конструктивную реализацию кодера любой функциональной сложности, обойтись минимальным количеством деталей и снизить экономические затраты. Но, к сожалению, подробное описание работы этих устройств выходит за рамки материала этой статьи.
Школа дядьки Глайдера
И.В. Карпунин (aka Glider)
Обсудить на форуме
|
