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无人机飞控打算

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  无人机飞控设计_交通运输_工程科技_专业资料。基于 DSP 的无人飞行器飞行控制系统设计 关键字: DSP 无人飞行器 1 引 言 飞行控制 TMS320F2812 随着科技的发展以及军事战略思想的转变, 无人飞行器在军事、民用领域具有广泛的

  基于 DSP 的无人飞行器飞行控制系统设计 关键字: DSP 无人飞行器 1 引 言 飞行控制 TMS320F2812 随着科技的发展以及军事战略思想的转变, 无人飞行器在军事、民用领域具有广泛的 应用前景和极其重要的现实意义。各国正在研制和开发各种性能独特的无人飞行器, 改造 的核心就是飞行控制系统。 DSP 以其丰富的指令系统、高速高精度的运算能力及丰富的片内外设资源等优势, 为 飞控系统的发展提供了一个很好的平台。 本系统选用的 TMS320F2812(以下简称 F2812)是 TI 公司开发的一款32 位 DSP 芯片, 采用高性能静态 CMOS 技术, 工作主频可达150M ips。片内集成了128K 字的 FLASH 存 储器, 方便实现软件升级;还集成了丰富的外围设备, 如: 采样频率高达12. 5M IPS 的12 位16路 A /D 转换器, 两个面向电机控制的事件管理器和多种标准串口通信外设。 在此基础上设计出一种高精度、扩展性强、小型化和低成本的新型飞行控制系统。 2 硬件系统方案要求和设计 基于 DSP 的飞控系统硬件设计, 关键在于系统的整体方案设计。接口设计是一个重要 环节, 将直接影响系统的性能。 为了减轻系统的负担, 外部输入信号用中断方式读入, 信 号输入输出时要考虑抗干扰性。 充分考虑 TMS320F2812 的片内资源以及系统的接口要求, 仅需对 DSP 芯片进行少 量的外部接口扩展, 即可满足飞控系统所有功能和未来扩展性的要求。同时由于系统的输 入逻辑量较多, 采用 A ltera 公司 CPLD 芯片 EPM7128, 完成数据处理和逻辑运算功能, 以减少控制电路的体积, 增加系统的可靠性, 实现对控制系统各单元状态的监视和控制。 系统整体方案设计如图1所示。以下将从系统各模块的实现加以说明。 3 硬件实现 3. 1 模拟信号接收 模拟信号经过信号调理模块输入, A /D 转换选择12位逐次逼近 A /D 转换器 AD1*, 其片内含有三态输出缓存电路和高精度参考电压源与时钟电路, 自带采样保持器。本设计 采用的连接方式如图2所示, 使 AD I*工作在全控模式下。 AD1*的使用上采用程序启动、 在 标志查询方式, 启动信号和转换结束信号相配合, 使 AD I*一旦转换结束就处于数据输出 状态, 同时产生 AD 结束标志, 提高多通道时的通过率。 3. 2 串口通信 F2812处理器提供两个串行通信接口( SC I) , 支持16级接收和发送 FIFO。但仍然满 足不了飞控系统与多外设的通讯要求。 因此, 系统选用异步串行接口扩展芯片 SP2338, 方 便地将 DSP 的 SC I1扩为3个全双工、波特率最高可达9600b / s 的异步串行通信接口, 作为 主控制器和专用的通信设备数据传输通道, 进行控制系统和地面的通信传输, SC I2 作为 GPS 与 CPU 的通信通道。SP2338使用简单, 不需要底层软件支持, 上电即可工作。 图3 串口扩展框图。 串口扩展实现如图3, ADR I0、ADR I1是下行地址线, ,l 2; ADRO0, ADRO1 是上行地址线, 1, 2。 F2812的 I/O 口直接与 SP2338 的地址线相连。发送数据时, DSP 通过改变 I/O 口的 状态来改变下行地址, 选中特定的子串口; 接收数据时, DSP 通过读取 I/O 口的状态来判 断数据具体来自哪一个子串口, 从而对读取到的数据做出相应的处理。因此可以提高系统 效率、减低软件消耗。通过外加电平转换芯片就可以实现 RS232, RS422, RS485通讯。 3. 3 存储器扩展 F2812上包含128K16位的 FLASH 存储器。考虑到容量和速度, 所以必须对系统进行 存储器的扩展。采用一片 ISSI 公司生产的64K 字大小的 IS61LV6416 存储芯片作为程序扩 展存储器。+ 3. 3V 供电, 存取时间最大不超过12ns。不需要外加延时电路, 直接将其数 据线、 地址线分别和 DSP 的数据线、 地址线相连。 并将 DSP 的第51 引脚 R /W 与61LV6416 的片选信号 CE 引脚连接, DSP 的读、 写选通信号分别与61LV 6416的读、 写选通信号相连。 3. 4 PWM 波输出 无人飞行器伺服机构的舵机由 PWM (脉宽调制)信号控制,利用占空比的变化,由 DSP 产生的多路并行 PWM 信号加上信号隔离驱动的舵机控制电路, 通过改变舵机的位置从而 达到控制目的。 TMS320F2812集成了 PWM 控制信号发生器, 每个事件管理器能够产生8 路 PWM 输 出。由于 TMS320F2812芯片输出的 PWM 高电平为+ 3. 3V,而舵机控制信号输入 PWM 脉 宽调制信号的高电平需要+ 5V, 因此 DSP 输出的脉宽调制信号的高电平需要经过电平转换 后才能驱动舵机工作。为了避免电机驱动板卡对主控板卡的干扰, 采用高速光耦隔离器件 74LS245将 PWM 信号隔离, 阻断电机驱动板卡对主控板卡的传导干扰。 3. 5 复位、电源电路 在整个硬件设计中, 主要用到的直流电源有+ 1. 8V、+ 3. 3V、+ 5V 和+ 12V。板上电 源采用 TI 的 TPS767D318, 通过5V 稳压电源, 提供 DSP 所需的1. 8V 电压和 DSP 及外 围电路所需的3. 3V 电压。 所有信号与 F2812连接时需考虑电平匹配问题, 通过加降压芯片的方式来解决。+ 12V 的直流电源由蓄电池提 供, 其他直流电压可以通过 DC /DC 转换模块得到。+ 5V 电压通 过集成稳压模块 LM7805获得。考虑到本系统中还需1. 8V 和3. 3V 两种电压,所以选用了 IDT 公司的 LM1117芯片对输入到 DSP 的5V 电压进行电平转换, 可使5V 输入电压降为1. 8V 和3. 3V。LM1117 提供电流限制和热保护。 目标板上的所有电源都可以用一个5V 的稳压模块提供。 此外, 为了调试方便, 系统由 T I 公司的 TPS3307提供手动复位。 复位信号经 CPLD 译码后输出高、低两种电平, 对复位电平要求不同的元件分别复位。手动按钮和 AT bus 所 有复位源都引入 CPLD, 由 CPLD 内建的 R eset Log ic 处理驱动, 再输出至复位目的地。 4. 4.系统软件设计 软件系统采用 T I 公司 DSP 集成开发工具 CCS 中集成的嵌入式实时操作系统 DSP /B IOS, 采用 C 语言与汇编语言混合编程实现。 系统初始化模块设定 SJA1000 的工作模式, 且其初始化只能在复位模式下进行。初始 化流程图如图4所示。 系统控制流程图如图5所示。 数据存储放置在任务线程中, 其过程是将飞行数据分析结 果等值存储在 F lash 中。检测任务线程可以通过周期函数 PRD 来完成。PRD 可以根据实 时时钟来确定函数运行的时间。这里, 设置检测任务100m s 运行1次。 所有任务的启动都和飞控系统总线上的小周期计数息息相关,其中与接收总线数据相 关的任务都是由消息分发线程启动, 当接收的消息为 PSP 发送的同步数据码时, 终端对 象同步自己的小周期计数, 并按现在所处的小周期启动相应的任务。所有的任务都包含在 消息处理线程中, 每个终端都有一个这样的线程, 各个线程独立工作, 使各个终端处于 并行工作方式。系统全部逻辑控制功能, 均采用周期运行方式, 每隔10ms 由定时中断程 序唤醒。利用 CPLD 进行逻辑运算及数据处理, 并检测模拟量 输入信号, 判断各监控对 象的工作状态并按照系统控制逻辑决定输出量。在其状态发生变化时通知 DSP, 协助 DSP 完成系统的自检测功能。在状态监测中, 将当前检测到的状态量与存储的上一个状态量相 比较, 如果两次状态相同, 则不进行任何操作; 如果发生变化,则向 DSP 发出中断信号 INT, 通知 DSP 读取数据。 在接收 DSP 发送的控制指令时, 将该指令与当前状态相比较, 若符合就不再发送控 制指令, 这样就能防止多次发送控制指令引起的误动作。 在飞行过程中, 控制系统的任务主要包括采集无人机的姿态数据, 计算控制量并输 出到舵机等执行机构, 接受地面站的指令并传输无人飞行器的位置等信息。利用设计的控 制板进行伺服控制算法的实现, 完成对执行机构舵机的控制。 图6为控制系统输出的其中一 路舵机的 PWM 控制信号波形。 5 结束语 采用多外设的高性能 DSP 芯片 TMS320F2812结合 CPLD, 并采用 DSP /B IOS 为实 时操作系统, 进行实时多任务设计, 有效提高了系统的可靠性和实时性。经过调试, 该 系统在实际运行中性能稳定, 达到了设计要求。本系统体积小、重量轻、成本低, 具备一 定的扩展性, 适合于构成较强的实时性、小型化和低成本的小型无人飞行器。

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