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

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。

什么是激光通信激光通信主要分为哪几类

激光，是利用单色光进行受激辐射后产生的光，特点是方向性强、亮度高、单色性好、相干性强。

激光和微波一样都属于电磁波，但频率比微波要高几个数量级。

激光通信，顾名思义就是利用激光来传递数据，基本原理是将信号调制到激光的频率、振幅或者相位上面，然后进行传输。

根据传输介质的不同，激光主要分为三类：光纤通信，激光大气通信，自由空间激光通信。 在激光通信的早期，激光大气通信技术吸引了发达国家投入大量人力物力进行研发。 但由于大气信道衰减补偿、大气信道折射率不均匀变化、器件和材料不过关、难以精确对接等技术难题，激光大气通信没有进入大规模商用。 目前应用最广泛的是光纤通信，另外两种通信方式也在近些年再度受到各技术强国的重视，取得了很大进展。

光纤通信

20世纪60年代，高锟和G.A.Hockham经过仔细论证，提出了基于光纤的远距离通信方案。几年后光纤的衰减达到了高锟的要求，光纤传输成为现实。1975年，美国在芝加哥开通了第一条光纤通信实验线路，光纤通信时代正式开启。

光纤通信

光纤的导光原理 利用光的全反射，将激光导入光纤进行传输，就是光纤通信的基本原理。 跟电缆传输比较，光纤通信有很多优势，比如超大的通信容量（单根光纤已经达到100Tbps），原料为石英（节省金属），绝缘抗干扰防窃听（在光纤内部传输）。

光纤通信

光纤入户 20世纪80年代以来，光纤通信产业一直保持着快速增长，已经成为支撑信息时代的数据传输技术。 运营商的长途干线传输，已经从电缆、微波、卫星改成了光纤传输，全球互联网干线也采用了光纤通信，我国光纤入户家庭的占比更是达到了90%以上。

激光大气通信

激光大气通信和自由空间激光通信，都是在没有传输线路（光纤）的条件下进行的点对点通信。 大气通信指的是利用空气作为传输介质，属于无线通信。

光纤通信

大气环境对光信号的影响 大气通信的优点是设备类别简单且通信容量大，单光束速率可达10Gb/s以上。缺点则是非常容易受到雨雪沙尘等天气影响。 云雨雾雪会造成信号衰减，烟尘微生物水滴造成散射，氮氧等气体分子则会吸收光信号，大气湍流带来的光斑闪烁和漂移…… 此外由于激光的指向性强，高稳定的瞄准捕获与跟踪（APT）系统就变得非常重要，这也是大气通信大规模商用的难点之一。 水下蓝绿激光通信 我国在激光大气通信的研究方面起步比较晚，不过近些年进展较快。例如2009年的时候，西安理工大学便研发出通信距离长达3km~5km的大气激光视频传输系统，实现了全天候不间断的视频数据传输。 随着材料技术、工艺技术、APT系统、大气补偿算法等关键技术的不断完善，大气激光通信应该会迎来一轮大发展，适用领域包括楼宇通信、跨河通信、岛屿入网、水下通信等等。

自由空间激光通信

与激光大气通信的最大不同在于，自由空间激光通信主要用在太空领域，因此信道环境充斥着各种复杂的电磁波，在系统组成、关键部件和传输容量上倒是跟大气通信相差不大。 自由空间激光通信既可用于卫星-卫星通信（星星传输），也可用于卫星-地面通信（星地传输）。 由于通讯距离长达几千甚至上万公里，因此激光发散小、能量集中的特性可以大大降低发射机的功率和重量，发射端和接收端的口径也相应大大缩小。 在星星传输和星地传输的场景下，体积小巧、功耗低、传输容量大，就成为激光通信相比于微波通信的巨大优势。 最近几年，国内外对自由空间激光通信的研发投入不断加快。 我国早在2017年，就成功进行了国际首次高轨卫星-地面的双向激光通信试验，实测距离地球近4万公里的卫星和地面之间（星地传输）的通信速率达到5Gbps。 国际上，SpaceX在2020年进行了一次试验，两颗Starlink互联网卫星利用搭载的激光通讯载荷，传输了数百GB的数据（星星传输），为布局SpaceX公司的天基网络提供了重要参考。 激光大气通信和自由空间激光通信成熟之后，将会和地面上的光纤通信网络交叉融合，构建出立体的天-空-地-海光通信网络，互联网将真正做到随时随地接入。

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