一文打尽PWM协议、PPM协议、PCM协议、SBUS协议、XBUS协议、DSM协议 | STM32的通用定时器TIM3实现PPM信号输出

PWM、PPM、PCM、SBUS、XBUS、DSM都是接收机与其他设备通信的协议。

请注意这里不要将遥控器和接收机之间的协议混淆。遥控器和接收机之间会采用某种协议来互相沟通，这些协议往往各个厂牌各自有一套且互不兼容。

但接收机输出的信号是有通行标准的，我们这里讨论的就是接收机输出的信号。

1. PWM协议

PWM（Pulse Width Modulation，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：

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。

电机（电调）上用到PWM信号种类很多，我们这里对常见的PWM信号特征进行一个描述：

1、 PWM信号是一个周期性的方波信号，周期为20ms，也就是50Hz的刷新频率。

2、 PWM每一周期中的高电平持续时间为1~2ms（1000us~2000us），代表了油门控制量。一般四旋翼中1100us对应0油门，1900us对应满油门

PWM的优势

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。

PWM因为处理简单，在航模圈至今仍然广泛用以驱动舵机和固定翼飞机的电调等。其相对于PPM等协议最大的不同在于，它每条物理连线里只传输1路信号。换句话说，需要传输几个通道，就需要几组物理连线。

2. PPM（CPPM）协议、PCM协议

PPM（Pulse Position Modulation，脉冲位置调制，又称脉位调制）。下面是PPM协议的波形图：

因为PWM每路只能传输一路信号，在分别直接驱动不同设备的时候（比如固定翼，每路各自驱动不同的舵机和电调）这没有任何问题。但在一些场合，我们并不需要直接驱动设备，而是需要先集中获取接收机的多个通道的值，再做其他用途时，

比如将两个遥控器之间连接起来的教练模式，比如遥控器接电脑玩模拟器，当然还有我们玩多轴，要将接收机的信号传输给飞控时，每个通道一组物理连线的方式就显得非常的繁琐和没有必要。这时候PPM就是救星了。

航模使用的PWM信号，高电平的持续时间在整个时间轴上所占的空间其实是很小的（假设高电平是信号），绝大部分的时间都是空白的。PPM简单的将多个通道的数值一个接一个合并进一个通道，用2个高电平之间的宽度来表示一个通道的值。

PPM协议最多传输10个通道，使用一个定时器就可以轻松解决了。

因为每一帧信号的尾部必须加入一个足够长的空白（显著超过一个正常PWM信号的宽度）来分隔前后两个信号，每一帧能传输的信号通道最多只能到10个。

这在大部分的场合已经足够了，比如刚才说的教练模式/模拟器/多轴等。且PPM是一个通行标准，绝大多数厂牌的遥控/接收都是支持的。

PCM（pulse-code modulation，脉冲编码调制，又称脉码调制）。这里顺便提一句，有些航模爱好者误将PPM编码说成是FM，其实这是两个不同的概念。前者指的是信号脉冲的编码方式，后者指的是高频电路的调制方式。

航模遥控器发射电路的工作原理是：操作通过操纵发射机上的手柄，将电位器组值的 变化信息送入编码电路。编码电路将其转换成一组脉冲编码信号（PPM或PCM）。这组脉冲编码信号经过高频调制电路（AM或FM）调制后，再经高放电路发送出去。PPM的编解码方式一般是使用积分电路来实现的，而PCM编解码则是用模/数（A/D）和数/模（D/A）转技术实现的。

航模遥控器中最常用的两种脉冲编码方式就是PPM和PCM；

最常用的两种高频调制方式是FM调频和AM调幅；

最常见的组合为PPM/AM脉位调制 编码/调幅、PPM/FM脉位调制编码/调频、PPM/FM脉冲调只编码/调频三种形式。

通常的PPM接收解码电路都由通用的数字集成电路组成，如 CD4013，CD4015等。对于这类电路来说，只要输入脉冲的上升沿达到一定的高度，都可以使其翻转。这样，一旦输入脉冲中含有干扰脉冲，就会造成输 出混乱。由于干扰脉冲的数量和位置是随机的，因此在接收机输出端产生的效果就是“抖舵”。除此之外，因电位器接触不好而造成编码波形的畸变等原因，也会影 响接收效果，造成“抖舵”。对于窄小的干扰脉冲，一般的PPM电路可以采用滤波的方式消除；而对于较宽的干扰脉冲，滤波电路就无能为力了。这就是为什么普 通的PPM比例遥控设备，在强干扰的环境下或超出控制范围时会产生误动作的原因。尤其是在有同频干扰的情况下，模型往往会完全失控。

3. SBUS（S-BUS/S.BUS）

SBUS(Serial Bus，串行总线)。

SBUS：每11个bit位表示一个通道数值的协议，串口通信，但是sbus的接收机通常是反向电平，连接到无人机时需要接电平反向器，大部分支持sbus的飞行控制板已经集成了反向器，直接将以旧换新机连接到飞行控制器即可。

XBUS：常规通信协议，支持18个通道，数据包较大，串口通信有两种模式，可以在遥控器的配置选项中配置。接收机无需做特殊配置。

SBUS是一个串行通信协议，最早由日本厂商FUTABA（扶他爸~）引入，随后FrSky的很多接收机也开始支持，S.BUS是全数字化接口总线，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。总线是指他可以连接多个设备，这些设备通过一个Hub与这个总线相连，得到各自的控制信息。
SBUS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”。 采用100K的波特率（注意：不兼容波特率115200），8位数据位，两位停止位，偶效验，即8E2的串口通信。
SBUS是一个接收机串行总线的输出，通过这根总线，可以获得遥控器上所有通道的数据。目前很多模型及无人机电子设备都支持SBUS总线的接入。使用SBUS总线获取通道数据，效率高，而且节省硬件资源，只需要一根线即可获取所有通道的数据。

SBUS一帧数据的长度为25个字节：

字节[0]：SBUS头，0x0F

字节[1-22]：16个伺服通道，每个伺服通道采用11位编码

字节[23]：

位7：数字通道17（0x80）

位6：数字通道18（0x40）

位5：丢帧（0x20）

位4：用来激活故障安全（0x10）

位0-3：n/a

字节[24]：SBUS结束字节，0x00

 

具体协议的格式如下：

[数据头] [第一个字节] [第二个字节] ......[第二十二的字节] [标志位] [数据尾]

数据头、标志位、数据尾 不携带信息，而且数据头和数据尾是固定的，数据头=0x0f; 数据尾=0x00;

数据头（1字节）+数据（22字节）+标志位（1字节）+数据尾（1字节）

SBUS的每个RC通道值映射为：

-100％= 173（相当于PWM伺服信号中的1000）

0％= 992（相当于PWM伺服信号中的1500）

100％= 1811（相当于PWM伺服信号中的2000）

值得注意的有三点：

（1）SBUS采用负逻辑，所以无论接收还是发送都要进行硬件取反（注意，一定要硬件取反），电路如下：

STM32F0芯片内置了反相电路，所以芯片外围不用加。

（2）SBUS有两种模式，

a.高速模式：每4ms发送一次

b.低速模式：每14ms发送一次

就是说每间隔4或者14ms这个串口就发送25个字节的数据，这25个字节的数据最多可以包含16个信息。

（3）100K的波特率不是标准波特率，一般串口工具都不能直接读取（所以不要直接用电脑调试，除非你的电脑写好了非标准串口），可以用单片机读取。

编码原理

一个信息是二进制的11bit，比如1111 1111 111就可以表示一个信息，一共16个这样的信息，按照顺序将这16个信息依次排成一串，得到一个176bit（11 *16）的数据，也就是22字节（176 / 8 = 22）的数据，再加上数据头数据尾校验位就组成了一个要通过串口传送的信息。每隔4或者14ms就传送一个这样的信息。

所以这16个信息每一个所能表示的最大值是2^11 = 2048，也就是他的精度。

标志位的高四位有特殊含义，第四位并没有使用，依照我的理解，第七位和第六位表示两个数字通道（通道17和18）信息（就是只有高低电平的通道，一般用来控制通断或者某个电机简单的启动或者停止，比如1表示启动电机0表示停止电机）。第五位表示帧丢失，接收机红色LED亮起，如果这一位为1，表示这一帧信号出问题了，接收机红色LED亮起。第四位表示故障保护激活，意思应该是说如果这一位为1，激活接受方故障保护。

bit7 = ch17 = digital channel (0x80)
     bit6 = ch18 = digital channel (0x40)
     bit5 = Frame lost, equivalent red LED on receiver (0x20)
     bit4 = failsafe activated (0x10)
     bit3 = n/a
     bit2 = n/a
     bit1 = n/a
     bit0 = n/a

代码实现可以查看笔者这篇文章：https://www.bilibili.com/read/cv5824207

4. DSM2（DSMX）

DSM（Digital Spread Spectrum Modulation，数字扩频调制）。

DMS协议一共有三代： DSM、DSM2、DSMX。国内最常见的是DSM2，JR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。

 

那么到底该用什么呢？

 

★.如果你是固定翼玩家，也无意在固定翼飞机上加飞控，那么其实这个问题对你来说不是问题：PWM。

★.如果你需要配置无线教练机或者无线模拟器，那么一个支持PPM输出的接收机可以省去一团乱麻的连线。如果普通休闲玩多轴，无论是航拍还是穿越，PPM也足够胜任。

★.如果你开始追求极限的穿越机表现，那也许你会开始能感受到S.BUS的低延迟带来的优势。或者你涉足功能丰富的正经航拍机，除了控制飞机，还要控制云台等等一系列其他附加设备时，S.BUS的多通道会给你带来很大便利。然而你需要寻找支持S.BUS的遥控接收组合，这也许意味着额外的投入。

 

参考链接：

http://www.5imx.com/portal.php?mod=view&aid=1351&_dsign=50c64f76

https://mp.weixin.qq.com/s/wECoHtQYbEWaWJYLR7Ne7g

https://mp.weixin.qq.com/s/Kt2ZssIrRyYbB-jxp1pwFw

https://www.bilibili.com/read/cv5824207

5. STM32实现PPM信号输出

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。

道理讲了这么多，让我们上手实现一下PPM输出，这是我们J20航模遥控器要用到的一个功能模块，迟早要加进去。

 tim.c文件

#include "tim.h"
#include "main.h"

#define PPM_NUM 18 //PPM数组中的个数，这里是8通道1+8*2+1

u16 PPM_Array[PPM_NUM] = {500,1000,500,1000,500,500,500,1000, 500,1000,500,1000,500,1000,500,1000,500,8000};
u16 PPM_Index = 0;//PPM数组索引号
/*TIM3的中断初始化*/
static void NVIC_Configuration(void)
{
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn; //TIM3的中断号
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; //抢占优先级0
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; //子优先级1
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道使能
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //根据指定的参数初始化VIC寄存器
}

/*PPM引脚初始化*/
static void PPM_GPIO_Configuration(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);  //使能GPIO外设时钟
    //设置PPM引脚为推挽输出功能,输出脉冲波形
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = PPM_Pin; //PPM引脚号
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;  //推挽输出
    GPIO_Init(PPM_GPIO_Port, &GPIO_InitStructure);//初始化PPM端口
}
/*TIM3初始化*/
void PPM_Init(void)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);    //使能定时器3时钟

    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 500; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位
    TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);//允许 更新 产生中断

    PPM_GPIO_Configuration(); //GPIO初始化
    NVIC_Configuration(); //中断初始化
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); //使能TIM3
    PPM = 0;//前500us输出低电平
}

/*TIM3中断服务子程序*/
void TIM3_IRQHandler(void)
{
    if(TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)
    {
        TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update); // 清除标志位
        TIM3->ARR = PPM_Array[PPM_Index]-1;//更新TIM3的自动重装载值，减1是给后几行程序留时间
        PPM = !PPM;//更改电平
        PPM_Index++;
        if(PPM_Index>=PPM_NUM)
        {
            PPM_Index = 0;
        }
    }
}

tim.h文件

#ifndef __TIM_H
#define __TIM_H

#include "main.h"

void PPM_Init(void);

#endif

main.c文件

/*
 * 定时器TIM3实现PPM输出
 * 具体说明见Doc/ReadMe.txt文档
*/

#include "main.h"

/*变量定义*/

/*程序开始时运行一次的代码*/
void setup(void)
{
    delay_init();//初始化延时函数
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //设置NVIC中断分组2，2位抢占优先级和2位子优先级
    usart_init(115200);//初始化串口1（波特率为115200，8个数据位，无校验，1个停止位）
    PPM_Init();
}

/*不断循环执行的代码*/
void loop(void)
{

}

int main()
{
    setup();
    while(1){loop();}
}

main.h文件

#ifndef __MAIN_H
#define __MAIN_H
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

/*main.h统一定义引脚，便于移植*/
#include "stm32f10x.h"
#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "tim.h"

/*引脚定义*/

#define PPM_Pin         GPIO_Pin_13
#define PPM_GPIO_Port     GPIOC
#define PPM                PCout(13)

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

工程文件下载：https://files.cnblogs.com/files/cai-zi/PPM.zip

用逻辑分析仪接在PC13，查看波形输出如下，看起来时间还是很准确的。