無線遙控基本原理

1、這篇文章將討論無線電遙控的基本原理，從此我們將可以區(qū)分許多常見的遙控問題。更重要的是我們將消除一些常見的誤解，例如FM（調(diào)頻-譯者注）比AM（調(diào)幅）好或者PCM（脈沖編碼調(diào)制）比PPM（比例脈沖調(diào)制）好等。每個(gè)系統(tǒng)都有它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，了解這些你就可以選擇最合適自己的那一種系統(tǒng)。勞斯萊斯至少比豐田凱美瑞貴五倍，但是它卻不一定使你的駕駛感覺更好，對(duì)大多數(shù)司機(jī)來說可能更糟（我們中國人可能不一樣，勞斯萊斯有面子）。遙控設(shè)備的價(jià)格并不等同於相應(yīng)的性能。由遙控模型專家George Steiner進(jìn)行的獨(dú)立測(cè)試證明，某些廉價(jià)的遙控設(shè)備也能擠身最好之列。接收機(jī)的內(nèi)部讓我們從接收機(jī)系統(tǒng)開始。你的家用AM/FM立

2、體聲通常包括3個(gè)部分：調(diào)諧器、音頻功放和揚(yáng)聲器（音箱）。類似的，遙控模型接收系統(tǒng)也由3個(gè)部分組成：調(diào)諧、解碼和伺服（就是舵機(jī)）。調(diào)諧、放大以及解碼電路都封裝在接收機(jī)內(nèi)。家用收音機(jī)的調(diào)諧器選擇你想要的電臺(tái)，同時(shí)排除其它電臺(tái)的信號(hào)，然后將解調(diào)后的音樂傳遞給音頻功放。類似的，模型接收機(jī)調(diào)諧器僅僅鎖定接收晶體確定的那個(gè)頻率，除掉72Mhz或者50Mhz的載頻，將解調(diào)后的信號(hào)傳給解碼器。解碼器從碼流中挑選出單獨(dú)的伺服信號(hào)脈沖并送到相應(yīng)的引腳。請(qǐng)注意音頻功放和揚(yáng)聲器并不知道音樂是來至AM還是FM的廣播站。類似的，模型接收機(jī)的解碼器也不關(guān)心上一級(jí)的信號(hào)是使用AM還是FM調(diào)制。舵機(jī)收到的位置信號(hào)也是標(biāo)準(zhǔn)化的，

3、所以任意品牌的舵機(jī)可以和任意品牌的接收機(jī)相連，就像所有的8揚(yáng)聲器都可以插到任意牌子的立體聲收音機(jī)一樣（現(xiàn)在很多喇叭4的）。伺服信號(hào)怎樣編碼讓我們來研究一下位置信息是如何傳送給每一個(gè)舵機(jī)。這由信號(hào)脈沖的0電壓（OFF-低電平）和大約3.3V電壓（ON-高電平）來表示（Futaba高電平是2.8V-3.3V，JR和其它是5V-譯者注）。位置信息由脈沖在ON狀態(tài)的時(shí)間長度決定。這種脈沖占用2毫秒的時(shí)間片，每秒鐘重復(fù)50次。脈沖的寬度在1毫秒-2毫秒之間變化，它決定了舵機(jī)的角度，1mS對(duì)應(yīng)舵機(jī)的左邊最大角度，1.5mS對(duì)應(yīng)中間位置，2mS對(duì)應(yīng)最右邊。在剩下的約18.5mS時(shí)間里，該信號(hào)一直保持低電平。

4、這種大約1.5mS高電平（3.3V-5V）緊接著18.5mS低電平（0V)的脈沖信號(hào)，不斷的重復(fù)著。信號(hào)脈沖沿著黃色（JR)或者白色（Futaba）的線傳輸給舵機(jī)，使用黑色（Futaba）或者棕色（JR)的線作為公共端（電池負(fù)極，0V)。紅色的線提供舵機(jī)工作所需的電源正電壓。舵機(jī)本身的原理將稍后討論，但是要注意的關(guān)鍵點(diǎn)是：* 舵機(jī)的位置和供電電池的電壓無關(guān)，它僅僅由輸入脈沖寬度決定* 舵機(jī)的內(nèi)部機(jī)制和位置信號(hào)無關(guān)。* 位置信號(hào)（在白線上）相對(duì)較弱，主要的驅(qū)動(dòng)功率來自紅線和黑線。最后一點(diǎn)解釋了為什么長距離的舵機(jī)線比較容易受到電磁噪聲的干擾，特別是在電動(dòng)飛機(jī)上通過紅線（主功率線）傳過來的噪聲。任何

5、擾亂脈沖信號(hào)的噪聲都將導(dǎo)致舵機(jī)行為不正常。你可能會(huì)好奇為什么伺服信號(hào)有一個(gè)固定的開頭1毫秒高電平周期。這其實(shí)是舵機(jī)的同步脈沖，它指示舵機(jī)電路緊接著的是實(shí)際的占空比位置信息。換句話說，舵機(jī)等待直到信號(hào)電壓從低電平變成高電平，在精確地等待1mS時(shí)間后，開始解碼接下來的1mS位置脈沖。因此信號(hào)脈沖用不著每秒鐘精確的重復(fù)50次。該脈沖信號(hào)也提供了發(fā)射機(jī)是否工作的信息，如果長時(shí)間沒有同步脈沖。當(dāng)發(fā)射機(jī)關(guān)掉的時(shí)候，將長時(shí)間持續(xù)低電平，某些設(shè)備例如墜機(jī)定位器正是使用這個(gè)特征來激活一個(gè)蜂鳴器。驅(qū)動(dòng)多個(gè)舵機(jī) - PPM為什么舵機(jī)位置脈沖僅僅2毫秒寬，而要空閑長達(dá)18毫秒來等待下一個(gè)脈沖呢？是的，這剩下的空間就是

6、留給其它的舵機(jī)的。每一個(gè)伺服信號(hào)被分配一個(gè)2毫秒的時(shí)隙，于是總共可以有20/2=10個(gè)舵機(jī)可以被分別驅(qū)動(dòng)。換句話說，真實(shí)的信號(hào)是一個(gè)脈沖序列，第一個(gè)2毫秒的脈沖分配給第一個(gè)舵機(jī)，第二個(gè)2毫秒的脈沖分配給第二個(gè)舵機(jī)，依此類推。這個(gè)脈沖序列，或者叫“幀”，每20毫秒重復(fù)一次，也即每秒鐘50次。接收機(jī)的解碼電路把該脈沖序列分割為單獨(dú)的伺服脈沖并把它們傳送給相應(yīng)的舵機(jī)。跟一臺(tái)立體聲收音機(jī)把經(jīng)過編碼的立體聲信號(hào)分割為左右兩個(gè)聲道有點(diǎn)類似。因此對(duì)于伺服信號(hào)，我們也存在相似的同步問題。到底哪一個(gè)2毫秒的信號(hào)屬于第一個(gè)舵機(jī)？換句話說我們?cè)趺磥泶_定哪里是一個(gè)幀的開頭呢？為了解決這個(gè)問題，緊接著最后一個(gè)脈沖，保持

7、信號(hào)電壓為低電平至少2毫秒，該低電平持續(xù)時(shí)間比任何一個(gè)合理的最長的伺服信號(hào)都要長。因此解碼器只需要等待2個(gè)毫秒的低電平時(shí)間就可以識(shí)別出脈沖序列的頭部。而緊接著的第一個(gè)脈沖就是第一路伺服信號(hào)。這個(gè)2毫秒的低電平周期就是“同步脈沖”（它可以長于2毫秒，四通道的可能是8毫秒或者更長）。此外，因?yàn)榭偸怯幸粋€(gè)1mS或更長的高電平緊跟著該2mS低電平的同步脈沖，因此提供了一個(gè)精確的“幀頭”指示接下來的伺服幀。這種簡單地把基本伺服脈沖插入幀的方法就叫做比例脈沖調(diào)制PPM，你現(xiàn)在已經(jīng)知道了PPM的含義。PPM可能很簡單但它是一種優(yōu)美的編碼方式同時(shí)非常健壯（抵抗錯(cuò)誤的能力）。基于對(duì)PPM的了解，我們可以推斷：*

8、 長于2mS的外部干擾將損壞多路伺服信號(hào)，所以這種外部干擾信號(hào)產(chǎn)生的抖動(dòng)將同時(shí)出現(xiàn)在所有的通道上。（當(dāng)然，干擾信號(hào)未必會(huì)以精確的每秒50次的周期重復(fù)）* PPM能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)的舵機(jī)數(shù)量，20-2ms=18ms，每個(gè)舵機(jī)2ms，18/2=9個(gè)舵機(jī)。這就解釋了為什么PPM接收機(jī)產(chǎn)品序列的最高端就是9通道。* 舵機(jī)位置與信號(hào)強(qiáng)度無關(guān)，所以距離不會(huì)影響控制除非收不到信號(hào)。* 即是一個(gè)幀出錯(cuò)，接下來的幀也將被快速的同步，所以“抖動(dòng)”的影響是短暫的。* 因?yàn)閹^是由低電平到高電平的跳變標(biāo)出，而不是由精確的每秒50次的計(jì)數(shù)，所以PPM的“幀率”是靈活的，四通道發(fā)射機(jī)可以達(dá)到70幀/秒。這對(duì)于愛淘二手貨的愛好者

9、是一個(gè)福音，因?yàn)槊糠N牌子發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的交換性相當(dāng)好（甚至跨品牌，我們接下來將討論）。* 通道數(shù)量不同的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)可以混用。例如4通道的發(fā)射機(jī)可以控制6通道的接收機(jī)，或者相反。多出來的脈沖信號(hào)被發(fā)射機(jī)簡單的保持低電平或者被接收機(jī)忽略。PCM    PCM（脈沖編碼調(diào)制）和PPM的關(guān)系就像CD和電唱機(jī)的關(guān)系。唱片是“模擬的”，唱針沿著波浪狀的螺紋移動(dòng)。而CD將每個(gè)聲道的音樂信號(hào)振幅，以每秒44,100次的采樣頻率，用數(shù)字信號(hào)記錄下來。就像我們已經(jīng)知道的，PPM以每秒50次，占空比在1-2ms之間變化，來編碼舵機(jī)位置信息。占空比可以在0到100%之間任意取值，因此PPM是“

10、模擬的”。PCM編碼舵機(jī)位置信息的方式和計(jì)算機(jī)Modem通過電話線發(fā)送數(shù)據(jù)的方式幾乎一樣。因此每個(gè)在20到23毫秒PCM幀中的2ms包含著一個(gè)數(shù)字，第一個(gè)2ms編碼第一個(gè)通道的，第二個(gè)2ms編碼第二個(gè)通道的，依此類推。這個(gè)數(shù)是二進(jìn)制的，在十進(jìn)制中，一位數(shù)可以表達(dá)0-1，兩位數(shù)可以表達(dá)0-99，依此類推，而在二進(jìn)制中，一位數(shù)可以表達(dá)0-1，二位數(shù)可以表達(dá)0-3，三位數(shù)可以表達(dá)0-7等等。對(duì)于PCM，二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)可能是8（0-255），9（0-511）或者10（0-1023），依賴于具體的廠商。所以，舉例來說，F(xiàn)utaba PCM 1024可能發(fā)送0表示左滿舵，511表示中位，1023

11、表示右滿舵。真實(shí)的位數(shù)和同步編碼方式往往為各個(gè)廠家私有。所以，不象PPM，PCM發(fā)射機(jī)和接收機(jī)往往不能互換?！皵?shù)字編碼”限制了舵機(jī)的位置數(shù)量（上例中為1023步），但是這影響不大。    PCM的優(yōu)點(diǎn)在于精確，例如，255永遠(yuǎn)表示中位（9bit編碼），與之相反，一個(gè)馬虎的PPM發(fā)射機(jī)可能用1.45ms中位來代替1.5ms。噪聲也會(huì)擾亂PPM脈沖造成舵機(jī)位置誤讀。數(shù)字系統(tǒng)可以通過加入校驗(yàn)碼來進(jìn)行糾錯(cuò)。CD采用了此種技術(shù)，顯著的提高了抗干擾能力。因?yàn)镻CM接收機(jī)驅(qū)動(dòng)的是標(biāo)準(zhǔn)的模擬舵機(jī)，需要最終將數(shù)字信號(hào)翻譯為比例伺服脈沖。因此以上提到的優(yōu)勢(shì)只存在于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的精確通信上。不幸的是，PCM也有它的阿基里斯腳后踵（命門-譯者注）。甚至最小的外部噪聲也會(huì)損壞那些復(fù)雜的二進(jìn)制編碼而根本不能被糾錯(cuò)。簡單的PPM脈沖可能會(huì)被干擾損壞，但是未損壞的脈沖仍然能夠起作用。這是在完全失控（PCM）和部分失控（PPM)中間選擇。（復(fù)雜吧我來解釋一下，他的意思就是PCM一受干擾就全部完蛋，所有的通道都不受控制。