小型無(wú)人機飛控計算機設計

摘要：為了解決小型無(wú)人機對飛控計算機小型化和高精度要求的問(wèn)題，設計以DSP為核心的主控模塊，采用大規模邏輯器件CPLD進(jìn)行地址譯碼，完成邏輯處理及隔離、驅動(dòng)功能，配合接口芯片28C94和AD／DA轉換芯片設計接口模塊、數據采集模塊及舵機驅動(dòng)模塊?；谀K化設計的機載飛控計算機具有體積小，功耗低，精度高的特點(diǎn)。系統集成試驗和共計15 h的驗證飛行試驗表明，該計算機處理數據的實(shí)時(shí)性滿(mǎn)足5ms數據采集、20 ms控制律解算的要求，其輸出精度滿(mǎn)足控制系統舵機驅動(dòng)0．01 V的要求，總體性能滿(mǎn)足驗證無(wú)人機系統的要求。
關(guān)鍵詞：無(wú)人機；飛控計算機；DSP；控制律

0 引言
小型無(wú)人機在現代軍事和民用領(lǐng)域的應用已越來(lái)越廣泛。在經(jīng)歷了早期的遙控飛行后，目前其導航控制方式已經(jīng)發(fā)展為自主飛行和智能飛行。導航方式的改變對飛行控制計算機的精度提出了更高的要求；隨著(zhù)小型無(wú)人機執行任務(wù)復雜程度的增加，對飛控計算機運算速度的要求也更高；而小型化的要求對飛控計算機的功耗和體積也提出了很高的要求。高精度不僅要求計算機的控制精度高，而且要求能夠運行復雜的控制算法，小型化則要求無(wú)人機的體積小，機動(dòng)性好，進(jìn)而要求控制計算機的體積越小越好。

1 概述
目前，隨著(zhù)微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，市場(chǎng)上出現了眾多功能強大，功耗、體積大大縮小的集成電路。芯片制造工藝的進(jìn)步，像ARM，DSP等集成眾多外圍電路的CPU芯片以及EPLD，FPGA等大規模邏輯器件也已經(jīng)出現，其性能比以前的芯片增強，外部電路也大為精簡(jiǎn)。其中，數字信號處理器(DSP)以強大的指令系統、接口功能以及友好的開(kāi)發(fā)環(huán)境顯示出功能完善，速度快，開(kāi)發(fā)方便等優(yōu)勢，能夠有效解決小型飛控計算機中高速與微型的矛盾，從而使為微、小型無(wú)人機量身設計的集高速度、高精度和小型化于一體的新型飛控計算機成為可能。
在眾多處理器芯片中，最適合小型飛控計算機CPU的芯片當屬TI公司的TMS320LF2407，其運算速度以及眾多的外圍接口電路很適合用來(lái)完成對小型無(wú)人機的實(shí)時(shí)控制功能。它采用哈佛結構、多級流水線(xiàn)操作，對數據和指令同時(shí)進(jìn)行讀取，片內自帶資源包括16路10位A／D轉換器且帶自動(dòng)排序功能，保證最多16路有轉換在同一轉換期間進(jìn)行，而不會(huì )增加CPU的開(kāi)銷(xiāo)；40路可單獨編程或復用的通用輸入／輸出通道；5個(gè)外部中斷；集成的串行通信接口(SCI)，可使其具備與系統內其他控制器進(jìn)行異步(RS 485)通信的能力；16位同步串行外圍接口(SPI)能方便地用來(lái)與其他的外圍設備通信；還提供看門(mén)狗定時(shí)器模塊(WDT)和CAN通信模塊。TMS320LF2407豐富的片內資源配合LATTICE公司的EPLD以及串口擴展芯片28C94使飛控機實(shí)現較復雜的飛行控制與飛行管理功能，同時(shí)還滿(mǎn)足了小型無(wú)人機的小體積和低功耗的要求。CPU提供192 KWord字的可擴展外部存儲空間，能夠裝載較大的應用程序，進(jìn)一步增強對外部電路的控制能力。系統開(kāi)發(fā)語(yǔ)言選擇BC 3．1，能方便地開(kāi)發(fā)應用程序，并使之有良好的可移植性。集成開(kāi)發(fā)工具CC2000能很方便友好地實(shí)現系統的調試。

2 系統硬件設計
2．1 組成模塊
飛控系統實(shí)時(shí)采集各傳感器測量的飛行狀態(tài)數據、接收無(wú)線(xiàn)電測控終端傳輸的由地面測控站上行信道送來(lái)的控制命令及數據，經(jīng)計算處理，輸出控制指令給執行機構，實(shí)現對無(wú)人機中各種飛行模態(tài)的控制和對任務(wù)設備的管理與控制；同時(shí)將無(wú)人機的狀態(tài)數據及發(fā)動(dòng)機、機載電源系統、任務(wù)設備的工作狀態(tài)參數實(shí)時(shí)傳送給機載無(wú)線(xiàn)電數據終端，經(jīng)無(wú)線(xiàn)電下行信道發(fā)送回地面測控站。按照功能劃分，該飛控系統的硬件包括：主控制模塊、信號調理及接口模塊、數據采集模塊以及舵機驅動(dòng)模塊等。具體的硬件構成原理如圖1所示。

2．2 模塊功能
各個(gè)功能模塊組合在一起，構成飛行控制系統的核心，而主控制模塊是飛控系統核心，它與信號調理模塊、接口模塊和舵機驅動(dòng)模塊相組合，在只需要修改軟件和簡(jiǎn)單改動(dòng)外圍電路的基礎上可以滿(mǎn)足一系列小型無(wú)人機的飛行控制和飛行管理功能要求，從而實(shí)現一次開(kāi)發(fā)，多型號使用，降低系統開(kāi)發(fā)成本的目的。系統主要完成如下功能：
(1)完成多路模擬信號的高精度采集，包括陀螺信號、航向信號、舵偏角信號、發(fā)動(dòng)機轉速、缸溫信號、動(dòng)靜壓傳感器信號、電源電壓信號等。由于CPU自帶A／D的精度和通道數有限，所以使用了另外的數據采集電路，其片選和控制信號是通過(guò)EPLD中譯碼電路產(chǎn)生的。
(2)輸出開(kāi)關(guān)量信號、模擬信號和PWM脈沖信號等能適應不同執行機構(如方向舵機、副翼舵機、升降舵機、氣道和風(fēng)門(mén)舵機等)的控制要求。
(3)利用多個(gè)通信信道，分別實(shí)現與機載數據終端、GPS信號、數字量傳感器以及相關(guān)任務(wù)設備的通信。由于CPU自身的SCI通道配置的串口不能滿(mǎn)足系統要求，設計中使用多串口擴展芯片28C94來(lái)擴展8個(gè)串口。

3 系統軟件設計
該系統的軟件設計分為2部分，即邏輯電路芯片EPLD譯碼電路的程序設計和飛控系統的應用程序設計。
3．1 邏輯電路程序設計
EPLD用來(lái)構成數字邏輯控制電路，完成譯碼和隔離以及為A／D，D／A，28C94提供片選信號和讀／寫(xiě)控制信號的功能。該軟件的設計采用原理圖輸入和VERILOG HDL語(yǔ)言編程的混合設計方式，遵循設計輸入→設計實(shí)現→設計校驗→器件編程的流程。系統使用了兩片ispLSI1048芯片，分別用來(lái)實(shí)現對A／D，D／A的控制和對串口擴展芯片28C94的控制。
3．2 系統應用程序設計
由于C語(yǔ)言不但能夠編寫(xiě)應用程序、系統程序，還能像匯編語(yǔ)言一樣直接對計算機硬件進(jìn)行控制，編寫(xiě)的程序可移植性強。由于以DSP為核心設計的系統中涉及到大量對外設端口的操作，以及考慮后續程序移植的工作，所以飛控系統的應用程序選用BC 3．1來(lái)設計，分別實(shí)現飛行控制和飛行管理功能。
軟件按照功能劃分為4個(gè)模塊：時(shí)間管理模塊、數據采集與處理模塊、通信模塊、控制律解算模塊。通過(guò)時(shí)間管理模塊在毫秒級時(shí)間內對無(wú)人機進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；數據采集模塊采集無(wú)人機的飛行狀態(tài)、姿態(tài)參數以及飛行參數、飛行狀態(tài)及飛行參數進(jìn)行遙測編碼并通過(guò)串行接口傳送至機載數據終端，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據信道發(fā)送到地面控制站進(jìn)行飛行監控；姿態(tài)參數通過(guò)軟件內部接口送控制律解算模塊進(jìn)行解算，并將結果通過(guò)D／A通道送機載伺服系統，控制舵機運行，達到調整、飛機飛行姿態(tài)的目的；通信模塊完成飛控計算機與其他機載外設之間的數據交換功能。

4 結語(yǔ)
利用高速DSP控制芯片在控制律計算和數據處理方面的優(yōu)勢及其豐富的外部資源，配合大規?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD以及串行接口擴展芯片28C94設計小型機載飛控計算機，以其為核心設計的小型無(wú)人機飛控系統具有功能全，體積小，重量輕，功耗低的特點(diǎn)，很好地滿(mǎn)足了小型無(wú)人機對飛控計算機高精度、小型化、低成本的要求。該設計已成功應用于某驗證無(wú)人機系統。