PWM、PPM、S.bus与DSM2

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——sw笨笨 编写

PWM

a) 什么是PWM

PWM ，Pulse Width Modulation的缩写，英文意思是脉宽调制，在航模中主要用于舵机的控制。这是一种古老而通用的工业信号，是一种最常见的控制信号。该信号主要原理是通过周期性跳变的高低电平组成方波，来进行连续数据的输出。如下图所示：

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而航模常用的PWM信号，其实只使用了它的一部分功能，就是只用到高电平的宽度来进行信号的通信，而固定了周期，并且忽略了占空比参数。
PWM的优点很明显：

• 由于传输过程全部使用满电压传输，非0即1，很像数字信号， 所以他拥有了数字信号的抗干扰能力。
• 脉宽的调节是连续的，使得它能够传输模拟信号。
• PWM信号的发生和采集都非常简单，现在的数字电路则使用计 数的方法产生和采集PWM信号。
• 信号值与电压无关，这在电压不恒定的条件下非常有用，比如电 池电压会随消耗而降低，DCDC都会存在纹波等等，这些因素不会干扰信号的传输。

b) PWM通信协议

高电平有效。
高电平电压：常见4.8~6V，也有使用3.3V和更高电压的，要看舵机的承受能力。
信号周期：常见50Hz和300Hz两种，前者被称为模拟舵机，后者被称为数字舵机。注意纠正一个概念，舵机的模拟和数字之分其实指的是信号采集器，是使用模拟电路还是使用数字电路，跟信号频率无关，当然数字采集器的采集能力较强，所以频率可以高一些。但是随着技术进步，现在即使买50Hz的舵机也同样使用数字电路进行信号采集，哪里来的模拟舵机呢？建议大家忘记这两个词汇吧。
脉宽宽度：50Hz信号多用于老式舵机，是上个世纪舵机的主要控制信号形式，其脉宽宽度为0.5ms至2.5ms。300Hz信号则是目前使用的最广泛的信号形式，其波形速度快，每秒可以传输300次，所以相应的脉宽也有所减小为0.9ms至2.1ms。两种舵机控制信号如下图所示：

50hz与300hz的PWM控制信号与角度关系

PPM

a) 什么是PPM

PWM信号被广泛用于舵机控制，但是它有一个明显的缺陷，就是有多少个舵机就需要多少个控制线路。而很多时候不希望线路太多，尤其是遥控器的无线信号，只可能有一路通信要传递多路舵机控制信息，于是PPM信号诞生了。

PPM，pulse-positionmodulation的缩写，英文意思是脉冲位置调制。

在上个世纪，航模领域中主要使用这种信号作为遥控器的主要无线通信协议，后来被用于教练线和模拟器。
该信号使用多个脉冲作为一组，并以组为单位周期性发送，通过组内各个脉冲之间的宽度来传输相应通道的舵机控制信息。

b) PPM通信协议

高电平有效。
高电平电压：常见4.8~6V。
信号周期：24ms。
单个脉冲宽度：0.4ms
脉冲间距：0.9ms至2.1ms

S.bus

a) 什么是S.bus ？

S.bus，可能是Smart-BUS的简称，即智能总线。该总线是日本Futaba公司自己使用的专用总线协议。
该协议有两个特点：一个是数字化，一个是总线化。 数字化是指的该协议使用现有数字通信接口作为通信的硬件协议，使用专用的软件协议，这使得该设备非常适合在单片机系统中使用，也就是说适合与飞控连接。这也就是我为什么要将这个协议详细叙述的原因，我认为使用PX4飞控是离不开这种纯数字的通信协议的。另外在其硬件协议中使用了数据校验增加抗干扰能力。 总线化指的是一个数字接口可以连接多个设备，这些设备（主要是舵机和电调）通过Hub与一个S.bus总线连接，并能够得到各自的控制信息。
如下图所示：

b)S.bus 硬件协议

S.bus使用RS232C串口的硬件协议作为自己的硬件运行基础。
使用TTL电平，即3.3V。
使用负逻辑，即低电平为“1”，高电平为“0”。
波特率：100000（100k），注意：不兼容波特率115200。数据位8bit，1个停止位，无校验位，无流控制。

c)S.bus软件协议

每帧数据还有25字节。

每字节含有12个比特，使用1个起始位“0”，8个数据位，1个奇校验位（8个数据位中1的数量为奇数则此位为“1”否则为“0”），两个终止位“1”。
采用LSB first方式发送，即最低有效位（二进制数据右侧）先发。
帧头：1111 0000（二进制），帧尾：0000 0000（二进制）。
数据：从第1数据字节起，到第22字节，一共有数据位176个，它们按照顺序分别是通道1至通道16的舵机控制数据，每个通道占11比特。取值范围是0~2047。
第23字节我管它叫做“功能字节”，第0比特为数字通道1的值，第1比特为数字通道2的值，第2比特为丢帧信息，第3比特为失效保护开关，第4~7比特暂时保留没用。

DSM2（DSMX）

a) 什么是DSM2（DSMX）

DSM是Digital Spread Spectrum Modulation的缩写，一共有三代： DSM、DSM2、DSMX。国内最常见的是DSM2，JR的遥控器和Spectrum 的遥控器都支持。该协议也是一种串行协议，但是比S.BUS更加通用，使用的标准串口定义，所以市面上兼容接收机更加便宜，兼容的设备也更多，比如电直的三轴陀螺VBar就可以直接接受DSM2信号。

但是该协议并不是一种总线化的协议，要靠接收机取把协议变为PWM来驱动舵机，DSM2接口也只能连接接收机和卫星接收机，不过对于飞控来说这个无所谓，反正也是一个接口连接到飞控就可以了。

DSMX是DSM2的升级版，协议基本一样就是速率加快了。DSMX协议可以用于双向传输，即能够将飞机上的信息传回遥控器上在液晶屏显示，不过对于玩儿飞控这个功能不重要，有了电台和PC，这个意义不大。所以我们下面只讨论DSM2协议的接收问题。

b) DSM2硬件协议

DSM2设备使用三线连接，黑色线是地线，红色是电源线，另一条是信号线，这个跟舵机一样，但是注意：电源线是3.3V。
信号线上跑的是标准TTL串口，3.3V电平，串口的电平逻辑跟普通TTL串口一致，可以直接跟现在的大部分单片机兼容，比如STM32。 串口波特率115200，数据位8bit，1个停止位，无校验位，无流控制。

c) DSM2软件协议

软件协议简单得多。
每一帧数据使用两个Byte，16字节。
第1个字节表示此帧状态，为0的时候表示此帧为遥控数据，1的时候表示为其他数据。
后面4个字节为通道ID，对应接收机上面的输出0: Throttle, 1: Aileron, 2: Elevator, 3: Rudder, 4: Gear, 5: Aux1, 6: Aux2, 7: Aux3。
后11个字节是0~2047的通道数据。
1023为中间值对应输出1.5ms的PWM信号，0对应0.75ms，2047对应2.25ms。