基于SmartFusion的無(wú)人機飛行控制系統設計
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SmartFusion的主要特點(diǎn)和功能體現在：
(1)功能齊全的FPGA。SmartFusion器件具有Actel經(jīng)過(guò)驗證的基于快速閃存技術(shù)ProASIC3 FPGA架構，使用先進(jìn)的130 nm七層快閃CMOS工藝技術(shù)，系統門(mén)密度范圍為60K～500K，并具有350 MHz的工作頻率和最多204個(gè)I／O。這種組合能夠集成來(lái)自其他器件的現有功能，大幅減少線(xiàn)路板空間和總體系統的功耗。
(2)微控制器子系統。器件的智能性是以微控制器子系統的形式加入FPGA的，子系統帶有100 MHz工作頻率的ARM Cortex-M3處理器硬核，全部標準外設和功能包括：多層AHB通信矩陣，吞吐率高達16 Gb／s，帶有RMI接口的10M／100M以太網(wǎng)MAC和SPI，I2C，UART和32位定時(shí)器。具有最高512 KB閃存，64 KB SRAM和外部存儲器控制器(EMC)以及8通道DMA控制器。
(3)可編程模擬模塊。創(chuàng )新性專(zhuān)有模擬計算引擎(ACE)能執行采樣排序和計算，能夠分擔ARM Cortex-M3處理器的模擬初始化和處理任務(wù)，可編程模擬包括：精度為1％的ADC和DAC，多達3個(gè)采樣頻率為600KS／s的12位ADC，最多3個(gè)12位第一階DAC、10個(gè)50 ns高速比較器并集成多種溫度、電壓和電流監控功能。
在這里，選用SmartFusion系列的A2F200M3作為核心芯片。它的MSS的主要功能是保持與地面站的通訊，采集姿態(tài)角數據和GPS定位數據，發(fā)送控制命令給FPGA，運行相關(guān)的飛行控制算法和導航控制算法等。FPGA架構的主要功能是采集與測量傳感器的數據，接收MSS的命令與驅動(dòng)舵機。FPGA分擔了一部分原可以采用MSS來(lái)實(shí)現的任務(wù)，使MSS有更多的時(shí)問(wèn)用于運行算法，以提高系統的整體性能。
外圍接口電路主要由RS 232接口、GPS接口、SD卡接口、傳感器信號采集通道、發(fā)動(dòng)機轉速測量通道、電池電壓檢測通道等組成。GPS和PC串口連接均需要1片MAX232芯片進(jìn)行電平轉換。SD卡用于存放飛行參數及圖像數據。MSS與FPGA之間可通過(guò)GPIO進(jìn)行數據傳輸。舵機驅動(dòng)、無(wú)線(xiàn)接收機信號檢測、信號控制等功能均由芯片的內部邏輯電路來(lái)實(shí)現，采用VerilogHDL語(yǔ)言編寫(xiě)。鑒于飛行控制和導航精度的要求，該模塊選用了TI公司的A／D芯片TLC3548，用來(lái)采集三軸加速度計、高度傳感器、三角速率陀螺輸出的電壓信號。A／D、驅動(dòng)組成框圖如圖4所示。
3 軟件設計
由于飛控計算機運行的程序復雜，信息量大，對實(shí)時(shí)性和穩定性要求高，采用單任務(wù)順序機制的編程方式已不能滿(mǎn)足飛控系統的要求，因此飛控軟件采用了實(shí)時(shí)嵌入式操作系統μC／OS-Ⅱ。μC／OS-Ⅱ是專(zhuān)門(mén)為計算機的嵌入式應用而設計的實(shí)時(shí)操作系統，是可裁減的、基于靜態(tài)優(yōu)先級的可剝奪型多任務(wù)實(shí)時(shí)內核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和微控制器，其實(shí)時(shí)性能和內核的健壯性已在大量的實(shí)際應用中得到了證實(shí)。
飛控系統的應用程序分為初始化模塊、數據采集模塊、控制解算模塊、姿態(tài)讀取模塊、GPS接收模塊、遙測發(fā)送模塊、控制量輸出模塊。任務(wù)與功能模塊資源之間的關(guān)系如圖5所示。飛行控制系統開(kāi)始運行時(shí)，飛控計算機在完成自檢后，首先進(jìn)行慣性導航系統的初始對準及任務(wù)諸元裝訂，接收初始對準裝置發(fā)送的初始姿態(tài)和位置信息，然后等待控制系統的啟動(dòng)命令。飛控系統啟動(dòng)后進(jìn)行初始化設置，根據任務(wù)優(yōu)先級、調用相應的程序模塊完成預定任務(wù)，各個(gè)任務(wù)之間的公共數據采用共享變量的方式進(jìn)行協(xié)同，但需要采取一定的保護措施。
4 結語(yǔ)
基于SmartFusion的無(wú)人機飛控系統具有體積小，精度高，運算速度快，可剪裁性的優(yōu)點(diǎn)，特別是軟件上采用μC／OS-Ⅱ實(shí)時(shí)操作系統，使飛控系統具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。該飛控系統已在某型無(wú)人機上得到了應用，飛行驗證表明系統設計滿(mǎn)足要求。本文設計的飛控系統具有一定的工程應用價(jià)值，為飛控系統的設計提供了借鑒。
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