淺析基于FPGA的無人機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案解析

無人機(jī)的飛行控制和機(jī)載電子設(shè)備的控制指令主要通過地面控制計(jì)算機(jī)中的軟件或者無人機(jī)控制器產(chǎn)生，這兩種相互獨(dú)立的控制方式互為備份。而無人機(jī)控制器主要由硬件電路和嵌入式軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，不依賴于計(jì)算機(jī)，因此具有可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)遠(yuǎn)程遙控的主要方式之一。傳統(tǒng)的無人機(jī)控制器主要由單片機(jī)、ARM和8279等芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但是對于無人機(jī)控制

系統(tǒng)對指令時(shí)延要求和測控系統(tǒng)時(shí)序同步等問題，該設(shè)計(jì)方法增加了測控設(shè)備軟件的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，特別針對滑跑起降型無人機(jī)遙控信道低延時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)際應(yīng)用要求，傳統(tǒng)無人機(jī)控制器產(chǎn)生的指令延時(shí)難以滿足無人機(jī)起降控制要求。

采用基于FPGA設(shè)計(jì)的無人機(jī)控制器，充分利用了FPGA并行數(shù)據(jù)處理能力和同步設(shè)計(jì)優(yōu)勢，將鍵盤掃描、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(nèi)部，外圍電路僅包含AD采樣、電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動芯片等簡單電路，避免了MCU等單指令周期芯片的時(shí)序缺點(diǎn)，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)更為簡單，擴(kuò)展性更強(qiáng)，遙控指令的觸發(fā)到輸出的指令數(shù)據(jù)群延時(shí)小于80 ms，能夠滿足各種類型無人機(jī)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制要求。

無人機(jī)控制器主要由控制鍵盤、數(shù)碼顯示板和控制器數(shù)據(jù)處理板組成?？刂奇I盤由8x8開關(guān)矩陣鍵盤和航向控制器構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)控制器鍵盤掃描代碼和航向模擬量的產(chǎn)生。數(shù)碼顯示板由6個(gè)16進(jìn)制數(shù)碼管組成，主要實(shí)現(xiàn)控制指令代碼和航向數(shù)據(jù)的同步顯示。作為無人機(jī)遙控控制器的核心部件，控制器數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(dá)0．09°；UART電平轉(zhuǎn)換芯片選用MAXIM公司的MAX3387芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，具有良好的可擴(kuò)展性?？刂破餍盘柼幚戆逯饕獙?shí)現(xiàn)無人機(jī)控制指令的鍵盤掃描與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(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

如圖1所示，控制器數(shù)據(jù)處理板上的FPGA分別對控制鍵盤上的8x8矩陣鍵盤和航向控制器模擬信號進(jìn)行行列掃描與AD采樣，以獲取鍵盤掃描碼和航向模擬量數(shù)據(jù)，并對采集到的指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換后得到指令控制代碼和航向控制數(shù)據(jù)。FPGA將編碼轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)同時(shí)分成兩路，一路驅(qū)動數(shù)碼顯示板實(shí)時(shí)顯示，另一路進(jìn)行遙控組幀后按照標(biāo)準(zhǔn)異步串行通信協(xié)議（UART）發(fā)送至MAX3387進(jìn)行RS232電平轉(zhuǎn)換，最后將含有控制指令的異步串行遙控?cái)?shù)據(jù)通過測控設(shè)備發(fā)送至無人機(jī)，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的遠(yuǎn)程控制功能。

無人機(jī)控制器的軟件都集成在FPGA內(nèi)部，采用VHDL語言編程，并在Altera公司的QuartusII軟件環(huán)境下進(jìn)行編譯和在線仿真。控制器主要包括鍵盤掃描、指令編碼與顯示、指令異步串行發(fā)送等功能模塊，系統(tǒng)的信號流程如圖2所示。系統(tǒng)加電后，F(xiàn)PGA每間隔40 ms對控制鍵盤和航向控制器進(jìn)行一次行列掃描和AD數(shù)據(jù)采集，當(dāng)檢測到有控制按鍵被觸發(fā)后，啟動按鍵去抖識別程序，將有效的控制按鍵的鍵盤掃描碼和AD采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成控制指令代碼和航向控制數(shù)據(jù)，并將指令和數(shù)據(jù)分成相同兩路，一路送入LED驅(qū)動模塊產(chǎn)生16進(jìn)制數(shù)碼管顯示驅(qū)動信號，另一路送入指令異步串行發(fā)送模塊進(jìn)行遙控組幀和控制數(shù)據(jù)加載，最后將包含指令數(shù)據(jù)的遙控幀數(shù)據(jù)按照異步串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議（UART）發(fā)出。

根據(jù)控制指令的實(shí)時(shí)性要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)每隔40 ms分別對矩陣鍵盤和航向控制器進(jìn)行一次行列掃描和AD采樣，當(dāng)鍵盤上的按鍵被觸發(fā)時(shí)，啟動按鍵去抖識別程序，輸出滿足響應(yīng)時(shí)間要求的按鍵16 bits鍵盤掃描碼。與此同時(shí)，將AD采集到的航向控制器模擬量串行數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換后輸出12 bits并行航向控制數(shù)據(jù)。該模塊的SignalTapII在線仿真結(jié)果如圖3所示。KB_RL和KB_Y分別為行掃描線和列掃描線，KB_SEN為鍵盤掃描使能信號，KEY_SCode為按鍵觸發(fā)后輸出的鍵盤掃描代碼，SAD_CS為芯片的采集使能信號，SAD_SDT為芯片串行數(shù)據(jù)輸入，SAD_PDT為串并轉(zhuǎn)換后的航向控制器結(jié)果數(shù)據(jù)。由圖3可知，一共有2個(gè)控制按鍵被順序觸發(fā)，共輸出了2個(gè)鍵盤掃描碼：7DFE和7EFE。航向控制器輸出數(shù)據(jù)位2EB，對應(yīng)航向控制角度值約為66°。

指令編碼與顯示模塊將接收到的16 bits鍵盤掃描碼和12 bits航向控制器數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)編碼，并將編碼后控制指令和數(shù)據(jù)發(fā)送至指令發(fā)送模塊，與此同時(shí)，為確保指令代碼和航向控制器數(shù)據(jù)正確傳輸，模塊驅(qū)動6個(gè)16進(jìn)制數(shù)碼顯示管實(shí)時(shí)顯示編碼后的指令數(shù)據(jù)和航向控制器數(shù)據(jù)。指令編碼與顯示模塊的SignalTapII在線仿真結(jié)果及數(shù)碼管顯示結(jié)果如圖4所示。KB_INS為指令有效標(biāo)志，KB_ EDAT為編碼后的指令代碼，SAD_EDT為編碼后的角度值。LED_LE為數(shù)碼管數(shù)據(jù)鎖存信號，LED_BL為數(shù)碼管使能信號，LED_DL為數(shù)碼管數(shù)據(jù)輸入端，由圖4可知，編碼后的控制指令代碼和航向控制器角度分別為033H和66°，數(shù)碼管顯示結(jié)果為033和066。

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(shù)據(jù)后，將編碼后的指令數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為遙控幀數(shù)據(jù)，并按照異步串行通信協(xié)議（UART）將遙控幀數(shù)據(jù)輸出到MAX3387進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，遙控幀數(shù)據(jù)串行波特率選取19 200，8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位。指令發(fā)送模塊SignalTapII在線仿真結(jié)果及計(jì)算機(jī)接收到的遙控幀數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。YK_SEND_EN為數(shù)據(jù)發(fā)送使能信號，Test_Vara為發(fā)送的8 bits并行遙控?cái)?shù)據(jù)，YK_UART_Out為異步串行數(shù)據(jù)FPGA輸出端波形信號。

無人機(jī)控制器安裝于某型無人機(jī)地面控制站中。地面站加電后，控制器數(shù)據(jù)處理板開始工作，每間隔40 ms分別對8x8矩陣鍵盤和無人機(jī)航向控制器進(jìn)行鍵盤掃描與AD采樣，并實(shí)時(shí)將采集到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的遙控指令代碼，一路驅(qū)動數(shù)碼顯示管將指令代碼實(shí)時(shí)顯示，一路將指令代碼轉(zhuǎn)換成RS232異步串行數(shù)據(jù)通過測控設(shè)備發(fā)送至無人機(jī)，控制器數(shù)據(jù)處理板實(shí)物如圖6所示。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，采用基于FPGA設(shè)計(jì)的無人機(jī)控制器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足使用要求，控制指令群時(shí)延小于80 ms，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

根據(jù)無人機(jī)的控制特點(diǎn)，文中提出了一種基于FPGA的無人機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案，該方法充分利用FPGA并行處理能力，簡化了無人機(jī)控制器的硬件結(jié)構(gòu)，降低了遙控指令群延時(shí)，解決了測控設(shè)備的時(shí)序匹配問題，并且具有較好的功能可擴(kuò)展性，該控制器已經(jīng)在某型無人機(jī)系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。