基于FPGA的無(wú)人機控制器設計與實(shí)現

摘要：根據無(wú)人機系統的控制特點(diǎn)，提出了一種基于FPGA的無(wú)人機控制器設計方案，并完成了該方案的軟硬件設計。該方案將鍵盤(pán)掃描、AD采樣、指令編碼與顯示和指令異步串行發(fā)送等功能模塊集成到FPGA內部，簡(jiǎn)化了控制器硬件結構。實(shí)際應用表明，該無(wú)人機控制器具有指令群延時(shí)低、功能可擴展性強等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足使用要求。
關(guān)鍵詞：無(wú)人機控制器；FPFG；鍵盤(pán)掃描；UART

 無(wú)人機的飛行控制和機載電子設備的控制指令主要通過(guò)地面控制計算機中的軟件或者無(wú)人機控制器產(chǎn)生，這兩種相互獨立的控制方式互為備份。而無(wú)人機控制器主要由硬件電路和嵌入式軟件設計實(shí)現，不依賴(lài)于計算機，因此具有可靠性高、穩定性好等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現無(wú)人機遠程遙控的主要方式之一。傳統的無(wú)人機控制器主要由單片機、ARM和8279等芯片設計實(shí)現，具有系統結構簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是對于無(wú)人機控制
系統對指令時(shí)延要求和測控系統時(shí)序同步等問(wèn)題，該設計方法增加了測控設備軟件的設計復雜度，特別針對滑跑起降型無(wú)人機遙控信道低延時(shí)數據傳輸的實(shí)際應用要求，傳統無(wú)人機控制器產(chǎn)生的指令延時(shí)難以滿(mǎn)足無(wú)人機起降控制要求。
 采用基于FPGA設計的無(wú)人機控制器，充分利用了FPGA并行數據處理能力和同步設計優(yōu)勢，將鍵盤(pán)掃描、指令編碼與顯示、指令異步串行發(fā)送等功能模塊都集成在FPGA內部，外圍電路僅包含AD采樣、電平轉換和驅動(dòng)芯片等簡(jiǎn)單電路，避免了MCU等單指令周期芯片的時(shí)序缺點(diǎn)，系統的硬件結構更為簡(jiǎn)單，擴展性更強，遙控指令的觸發(fā)到輸出的指令數據群延時(shí)小于80  ms，能夠滿(mǎn)足各種類(lèi)型無(wú)人機的實(shí)時(shí)遠程控制要求。

1 系統硬件設計方案
無(wú)人機控制器主要由控制鍵盤(pán)、數碼顯示板和控制器數據處理板組成?？刂奇I盤(pán)由8x8開(kāi)關(guān)矩陣鍵盤(pán)和航向控制器構成，主要實(shí)現無(wú)人機控制器鍵盤(pán)掃描代碼和航向模擬量的產(chǎn)生。數碼顯示板由6個(gè)16進(jìn)制數碼管組成，主要實(shí)現控制指令代碼和航向數據的同步顯示。作為無(wú)人機遙控控制器的核心部件，控制器數據處理板采用Altera公司的低成本Cyclone4系列FPGA芯片EP4CE10作為指令和數據處理的核心芯片；為降低FPGA硬件資源消耗，AD芯片選用MAXIM公司的串行12Bits  AD采樣芯片MAX11105，理論航向傳感器控制精度可達0．09°；UART電平轉換芯片選用MAXIM公司的MAX3387芯片設計實(shí)現，具有良好的可擴展性?？刂破餍盘柼幚戆逯饕獙?shí)現無(wú)人機控制指令的鍵盤(pán)掃描與AD采樣、指令編碼與顯示和遙控指令異步串行發(fā)送等功能。系統硬件結構框圖如圖1所示。

2．3 指令發(fā)送模塊
指令發(fā)送模塊接收到編碼后的控制指令和航向控制器數據后，將編碼后的指令數據轉換為遙控幀數據，并按照異步串行通信協(xié)議(UART)將遙控幀數據輸出到MAX3387進(jìn)行電平轉換，遙控幀數據串行波特率選取19  200，8位數據位，1位起始位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗位。指令發(fā)送模塊SignalTapII在線(xiàn)仿真結果及計算機接收到的遙控幀數據結果如圖5所示。YK_SEND_EN為數據發(fā)送使能信號，Test_Vara為發(fā)送的8  bits并行遙控數據，YK_UART_Out為異步串行數據FPGA輸出端波形信號。

3 實(shí)驗應用
無(wú)人機控制器安裝于某型無(wú)人機地面控制站中。地面站加電后，控制器數據處理板開(kāi)始工作，每間隔40  ms分別對8x8矩陣鍵盤(pán)和無(wú)人機航向控制器進(jìn)行鍵盤(pán)掃描與AD采樣，并實(shí)時(shí)將采集到數據轉換成相應的遙控指令代碼，一路驅動(dòng)數碼顯示管將指令代碼實(shí)時(shí)顯示，一路將指令代碼轉換成RS232異步串行數據通過(guò)測控設備發(fā)送至無(wú)人機，控制器數據處理板實(shí)物如圖6所示。實(shí)際應用結果表明，采用基于FPGA設計的無(wú)人機控制器的各項技術(shù)指標滿(mǎn)足使用要求，控制指令群時(shí)延小于80  ms，設備運行穩定可靠。

4 結論
根據無(wú)人機的控制特點(diǎn)，文中提出了一種基于FPGA的無(wú)人機控制器設計方案，該方法充分利用FPGA并行處理能力，簡(jiǎn)化了無(wú)人機控制器的硬件結構，降低了遙控指令群延時(shí)，解決了測控設備的時(shí)序匹配問(wèn)題，并且具有較好的功能可擴展性，該控制器已經(jīng)在某型無(wú)人機系統中得到成功應用。