DSP實(shí)現(xiàn)無(wú)人飛行器控制系統(tǒng)

1 引 言

　　本系統(tǒng)選用的TMS320F2812(以下簡(jiǎn)稱(chēng)F2812)是TI公司開(kāi)發(fā)的一款32 位DSP芯片， 采用高性能靜態(tài)CMOS 技術(shù)， 工作主頻可達(dá)150M ips。片內(nèi)集成了128K 字的FLASH 存儲(chǔ)器， 方便實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí);還集成了豐富的外圍設(shè)備， 如: 采樣頻率高達(dá)12. 5M IPS的12位16路A /D轉(zhuǎn)換器， 兩個(gè)面向電機(jī)控制的事件管理器和多種標(biāo)準(zhǔn)串口通信外設(shè)。

　　在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種高精度、擴(kuò)展性強(qiáng)、小型化和低成本的新型飛行控制系統(tǒng)。
 

　　2 硬件系統(tǒng)方案要求和設(shè)計(jì)

　　基于DSP的飛控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)， 關(guān)鍵在于系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)。接口設(shè)計(jì)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)， 將直接影響系統(tǒng)的性能。為了減輕系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)， 外部輸入信號(hào)用中斷方式讀入， 信號(hào)輸入輸出時(shí)要考慮抗干擾性。

　　充分考慮TMS320F2812 的片內(nèi)資源以及系統(tǒng)的接口要求， 僅需對(duì)DSP芯片進(jìn)行少量的外部接口擴(kuò)展， 即可滿(mǎn)足飛控系統(tǒng)所有功能和未來(lái)擴(kuò)展性的要求。同時(shí)由于系統(tǒng)的輸入邏輯量較多， 采用A ltera公司CPLD 芯片EPM7128， 完成數(shù)據(jù)處理和邏輯運(yùn)算功能， 以減少控制電路的體積， 增加系統(tǒng)的可靠性， 實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)各單元狀態(tài)的監(jiān)視和控制。

　　系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。以下將從系統(tǒng)各模塊的實(shí)現(xiàn)加以說(shuō)明。

　　圖1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

　　3 硬件實(shí)現(xiàn)

　　3. 1 模擬信號(hào)接收

　　模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊輸入， A /D 轉(zhuǎn)換選擇12位逐次逼近A /D轉(zhuǎn)換器AD1*， 其片內(nèi)含有三態(tài)輸出緩存電路和高精度參考電壓源與時(shí)鐘電路， 自帶采樣保持器。本設(shè)計(jì)采用的連接方式如圖2所示， 使AD I*工作在全控模式下。在A(yíng)D1*的使用上采用程序啟動(dòng)、標(biāo)志查詢(xún)方式， 啟動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)相配合， 使AD I*一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束就處于數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)， 同時(shí)產(chǎn)生AD 結(jié)束標(biāo)志， 提高多通道時(shí)的通過(guò)率。

　　圖2 A /D擴(kuò)展電路框圖

　　3. 2 串口通信

　　F2812處理器提供兩個(gè)串行通信接口( SC I) ， 支持16級(jí)接收和發(fā)送FIFO。但仍然滿(mǎn)足不了飛控系統(tǒng)與多外設(shè)的通訊要求。因此， 系統(tǒng)選用異步串行接口擴(kuò)展芯片SP2338， 方便地將DSP的SC I1擴(kuò)為3個(gè)全雙工、波特率最高可達(dá)9600b / s的異步串行通信接口， 作為主控制器和專(zhuān)用的通信設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸通道， 進(jìn)行控制系統(tǒng)和地面的通信傳輸， SC I2 作為GPS與CPU 的通信通道。SP2338使用簡(jiǎn)單， 不需要底層軟件支持， 上電即可工作。

　　圖3 串口擴(kuò)展框圖

　　串口擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)如圖3， ADR I0、ADR I1是下行地址線(xiàn)， ADR I0， ADR I1= 00， 01， 10是分別對(duì)應(yīng)子串口0， ，l 2; ADRO0， ADRO1 是上行地址線(xiàn)， ADRO0，ADRO1- 00， 01， 10 是分別對(duì)應(yīng)子串口0， 1， 2。

　　F2812的I/O 口直接與SP2338 的地址線(xiàn)相連。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)， DSP通過(guò)改變I/O 口的狀態(tài)來(lái)改變下行地址， 選中特定的子串口; 接收數(shù)據(jù)時(shí)， DSP通過(guò)讀取I/O 口的狀態(tài)來(lái)判斷數(shù)據(jù)具體來(lái)自哪一個(gè)子串口， 從而對(duì)讀取到的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的處理。因此可以提高系統(tǒng)效率、減低軟件消耗。通過(guò)外加電平轉(zhuǎn)換芯片就可以實(shí)現(xiàn)RS232， RS422， RS485通訊。1 引 言

　　本系統(tǒng)選用的TMS320F2812(以下簡(jiǎn)稱(chēng)F2812)是TI公司開(kāi)發(fā)的一款32 位DSP芯片， 采用高性能靜態(tài)CMOS 技術(shù)， 工作主頻可達(dá)150M ips。片內(nèi)集成了128K 字的FLASH 存儲(chǔ)器， 方便實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí);還集成了豐富的外圍設(shè)備， 如: 采樣頻率高達(dá)12. 5M IPS的12位16路A /D轉(zhuǎn)換器， 兩個(gè)面向電機(jī)控制的事件管理器和多種標(biāo)準(zhǔn)串口通信外設(shè)。

　　在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種高精度、擴(kuò)展性強(qiáng)、小型化和低成本的新型飛行控制系統(tǒng)。
系統(tǒng)控制流程圖如圖5所示。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)放置在任務(wù)線(xiàn)程中， 其過(guò)程是將飛行數(shù)據(jù)分析結(jié)果等值存儲(chǔ)在F lash 中。檢測(cè)任務(wù)線(xiàn)程可以通過(guò)周期函數(shù)PRD來(lái)完成。PRD 可以根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘來(lái)確定函數(shù)運(yùn)行的時(shí)間。這里， 設(shè)置檢測(cè)任務(wù)100m s運(yùn)行1次。

　　圖5 系統(tǒng)控制流程圖

　　所有任務(wù)的啟動(dòng)都和飛控系統(tǒng)總線(xiàn)上的小周期計(jì)數(shù)息息相關(guān)， 其中與接收總線(xiàn)數(shù)據(jù)相關(guān)的任務(wù)都是由消息分發(fā)線(xiàn)程啟動(dòng)， 當(dāng)接收的消息為PSP發(fā)送的同步數(shù)據(jù)碼時(shí)， 終端對(duì)象同步自己的小周期計(jì)數(shù)， 并按現(xiàn)在所處的小周期啟動(dòng)相應(yīng)的任務(wù)。所有的任務(wù)都包含在消息處理線(xiàn)程中， 每個(gè)終端都有一個(gè)這樣的線(xiàn)程， 各個(gè)線(xiàn)程獨(dú)立工作， 使各個(gè)終端處于并行工作方式。系統(tǒng)全部邏輯控制功能， 均采用周期運(yùn)行方式， 每隔10ms由定時(shí)中斷程序喚醒。利用CPLD 進(jìn)行邏輯運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理， 并檢測(cè)模擬量輸入信號(hào)， 判斷各監(jiān)控對(duì)象的工作狀態(tài)并按照系統(tǒng)控制邏輯決定輸出量。在其狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)通知DSP， 協(xié)助DSP完成系統(tǒng)的自檢測(cè)功能。在狀態(tài)監(jiān)測(cè)中， 將當(dāng)前檢測(cè)到的狀態(tài)量與存儲(chǔ)的上一個(gè)狀態(tài)量相比較， 如果兩次狀態(tài)相同， 則不進(jìn)行任何操作; 如果發(fā)生變化，則向DSP發(fā)出中斷信號(hào)INT， 通知DSP讀取數(shù)據(jù)。

　　在接收DSP發(fā)送的控制指令時(shí)， 將該指令與當(dāng)前狀態(tài)相比較， 若符合就不再發(fā)送控制指令， 這樣就能防止多次發(fā)送控制指令引起的誤動(dòng)作。

　　在飛行過(guò)程中， 控制系統(tǒng)的任務(wù)主要包括采集無(wú)人機(jī)的姿態(tài)數(shù)據(jù)， 計(jì)算控制量并輸出到舵機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 接受地面站的指令并傳輸無(wú)人飛行器的位置等信息。利用設(shè)計(jì)的控制板進(jìn)行伺服控制算法的實(shí)現(xiàn)， 完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)舵機(jī)的控制。圖6為控制系統(tǒng)輸出的其中一路舵機(jī)的PWM 控制信號(hào)波形。

　　圖6 舵機(jī)控制信號(hào)

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　經(jīng)過(guò)調(diào)試， 該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中性能穩(wěn)定， 達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)體積小、重量輕、成本低， 具備一定的擴(kuò)展性， 適合于構(gòu)成較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、小型化和低成本的小型無(wú)人飛行器。