Arduino解析航模遥控器PPM信号

PPM信号是航模遥控器输出的一种标准信号，从PPM信号中可以获取7-9个通道的遥控指令数据。PPM看起来很像PWM，很多模型爱好者对于它们产生了误解，有些朋友认为PPM和PWM就是一回事，其实不然，下面我们先说明一下它们之间的区别和关系。

PWM，是英文Pulse Width Modulation的缩写，意思就是脉冲宽度调制。脉冲就是由高、低电平组成的信号序列，其中高电平的时间就是这里所说的脉冲宽度，也就是高电平维持的时间，单位为微秒，范围在500-2500微秒(us)内,或0.5毫秒-2.5毫秒（ms）。如下图所示：

                                

这样的一个脉冲通常用来控制一个通道，即一个舵机，如要控制多个舵机，则需要多个这样的通道，例如：我们要控制一架固定翼模型飞机，则我们至少需要四个通道来分别控制油门、副翼、升降舵、方向舵，各个通道的脉冲宽度控制各个舵机转动。

                                 

而PPM是英文Pulse Position Modulation的缩写,意思是脉冲位置调制,又称脉位调制，实质上就是将多个通道的PWM放到“一根线”上进行传输，一个完整的PPM信号帧包含了多个通道的PWM值，下面看一个图解：

                           

图中第一个波形为PPM信号，第二个波形为一通道的PWM，它对应到PPM信号的“K1”，第三个波形为二通道的PWM，它对应到PPM信号的“K2”，依次类推，“K8”对应到第八通道的PWM。K1的前面及K8后面还有一个比较“宽”的脉冲，它的宽度大于所有通道的脉冲宽度，这个也称为“同步脉冲”，在这样的一帧信号中，找出信号的“头”很关键，就如同在SBUS信号解析的过程中，要找到数据的开头，才能正确的解算出各通道的数据。PPM信号“同步脉冲”就可以作为“帧头”来使用，只要判断一个脉冲大于通道的“正常值”，那么接下来的一个脉冲就是1通道的数据。这里要注意的是：PPM中的通道脉宽比实际的PWM脉宽要“窄一点”，这里是由于在PPM信号中需要接入脉冲间隔，以区分通道，而PPM信号帧的总长又不宜过长，因此把每个通道的脉宽“砍掉”一个同样的宽度作为间隔，我们在计算通道PWM脉宽时还应该把这个被砍掉的部分加上。

下面开始介绍我的解算思路。很显然，PPM信号不能像SBUS解算那样使用串口，因为PPM就没有“波特率”，它的实质就是一序列串在一起的脉冲，要解算它实质就是要把这些脉冲一个一个地采集进来。在Arduino中有一个专门用于采集脉冲宽度的函数：pulseIn(),这个函数可以用来完成PPM解析，但是用这个函数有一些弊端：1、它会“死等”脉冲的到来，也就是脉冲不来，它就会在那里永远等待；2、当在执行一个脉冲的采集时，程序依然会停在那里等待采集完毕，这样的话，整个解算过程即要等待8个通道及一个同步脉冲的总时间，加在一起是20毫秒，如果这个解算过程只是用于演示，那么我们可以接受，但如果是用于实时控制，比如四轴飞行器，这么长的采集周期势必会让整个控制崩溃，因此，我们必须寻找其他的解算方法。（这里举个例子，玩过APM飞控的朋友应该知道，APM的遥控信号输入是使用的是PWM通道独立输入，而采集这些信号的任务都不是有主控芯片mega2560来完成的，完成这个任务是由协处理芯片：mega32，它同时也是USB转TTL芯片，这说明采集多路PWM确实是一个比较“繁琐”的过程）。那么采用什么办法来做呢？

单片机系统都有外部中断，可以用中断来处理这些“粘在一起”的脉冲。这次试验用的Arduino板为：NANO板，这个板（MEGA328）使用Arduino官方库时有两个外部中断：D2及D3口，试验中使用了D2，即外部中断0，触发方式设置为“跳变”，即脉冲的上升沿及下降沿均触发中断，并在中断处理函数中判断触发方式（上升沿或下降沿），然后分别记录进入中断的时刻（使用Arduino的时间函数：micros()）,然后下降沿时刻减去上升沿时刻，即可得到一个脉冲的宽度（这个方法同样可以用于单通道PWM的采集，或者超声波测距）。

那么如何处理这一串脉冲呢？如何正确获得通道PWM呢？我的方法是：连续采集20个脉冲宽度放在一个数组中，然后去数组中寻找“同步脉冲”，找到它之后，紧随其后的8个数组元素就是我们需要的通道PWM数据。为什么一定要采集20个呢？因为我们无法确定第一次采集到脉冲是哪个通道的，除非“运气好”，一开始就获取到了“同步脉冲”，因此，如果我们非常“小气”地只采集9个，几乎不可能容易地从中找到正确完整的数据，当然也可以做一个比较细致、复杂的解算程序来完成（如果你是一个拼图高手），而每次采集20个，则保证了每一次采集到的脉冲序列中至少包含一帧完整的数据，这样就可以简化解算的过程，只需要找到“同步脉冲”，然后从它之后顺序取8个脉冲，其余的数据丢弃，然后进入下一轮采集。

本次试验中使用的遥控器仍为FUTABA T10CHG，试验中将发射模式设置为“2.4G 7CH”，就是飞模拟器使用的模式，然后用一个音频接头改装连线，连接遥控器背面的PPM信号线及地线。PPM信号线连接到NANO板的D2口，地线就在NANO上找一个GND接上。

            

下面是中断处理函数及通道更新函数：

                                                                              

程序说明：在初始化中还必须将D2端口设置为输入模式，并且设置中断0：attachInterrupt(0,ppm_in,CHANGE)。其中ppm_flag用于控制采集脉冲的个数，并且将这些脉冲序列按顺序存放到数组ppm_date[]中；flag_in用于确保采集脉冲是从上升沿开始（因为上升沿和下降沿都会触发中断），它在上升沿处理中被置1，在下降沿处理中被置0，达到的目的就是在没有采集到上升沿时不对下降沿进行处理，因为我们要采集的是高电平的时间；flag_out用于判断是否完成了脉冲采集和是否完成了通道解算，当完成采集时它被置1，这个时候中断函数停止数据采集，只有等通道更新完毕后，它才会被置0，中断函数才会进行新一轮的数据采集，而在它为0的期间，也就是在数据采集的期间，不会进行通道更新。接下来从串口监视器观察原始数据，即采集到的ppm_date[]:                           
上图中，每一行数字即是完整ppm_date[]帧，从数据中可以看到，每一行都有两个比较大的数字：大于3000，这个就是我们要找的“同步脉冲”，找到一个之后，后面跟的8个数，就是要提取的通道数据。当然，从数据中能够看到，有时每两个“同步脉冲”之间偶尔会出现不足8个有效数据的情况，但这个影响暂且可以接受，我们可以设计更严密的通道更新程序将这样的数据帧丢弃。下面来看看1通道的数据，在试验过程中可以保持一通道（副翼）摇杆在中立位置（所有微调归0），此时可以看到得到的数据为1120左右，在这种情况下，该通道的实际输出脉宽（PWM）应为1520，这个我们可以对FUTABA接收机的一通道输出PWM进行采样验证，因此从ppm中获取的数据还应该加上400，这个就是低电平的持续时间即上面提到的“被砍掉的那一部分”，当然这个时间也可以用中断去采集ppm的低电平间隔得到。在程序中我直接给每个通道加了400，通过与之前PWM采集的数据进行对比，得出的结果是一致的。下面从串口监视器观察解算出来的通道数据channels[],channels[0]代表1通道，副翼通道：                           
至此，PPM信号解析完成，从实验中可以看出，FUTABA T10CHG的ppm输出确实为7个比例通道，第8个通道保持在中立位。这个试验主要是针对FUTABA T10CHG，对于其他品牌的遥控器我将进行进一步的试验，比如6通道的SPEKTRUM DX6I遥控器的PPM输出，也许还是有差别的吧。希望各位大神批评指正，多多指导！