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飞控计算机设计论文

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1系统硬件构建

飞控计算机的系统组成如图2所示,硬件设计采用模块化的设计方法,具体包括以下模块。

1.1SOPC模块SOPC是飞控计算机的核心,其内核处理器用以支撑应用软件的运行,内部大容量的可编程逻辑用于管理对外的串口通信、管理SPI接口的MEMS传感器、管理海量NANDFLASH存储器、输出PWM波实现对舵机的自动控制。SOPC选用XILINX公司的Virtex-5芯片XC5FXT70T-F665,它采用65nm工艺,1V的内核电压,功耗较Virtex-4降低50%;具有71680个可编程逻辑单元;具有820KbitsLUTRAM和5328Kbits的块RAM;集成双核IBMPowerPC440处理器硬核,提供1100DMIPS@550MHz的性能;集成128个DSP逻辑片,提供高达192GMACsDSP性能;集成4路IEEE802.3标准10/100Mbit/s以太网MAC硬核;内置16通道GTX串行口收发器,可提供高达6.5Gbit/s性能;内置3个PCIExpress节点块;采用665脚的封装,外形尺寸仅27mm×27mm;软件支持LINUX、VX-WORKS等操作系统。

1.2RS-232/422驱动电路由于外部GPS、高度表、磁力计、测控设备等传感器均为RS-232或RS-422电平,而SOPC的UART输出为LVTTL电平,因此需要RS-232/422驱动电路实现两者之间的电平转换,电路如图3所示。此处选用MAXIM公司的MAX3232和MAX3490芯片,前者实现RS-232与LVTTL电平转换,后者实现RS-422与LVT-TL电平转换。

1.3手/自切换电路为了给飞行器提供一个保护措施,该设计方案中还包括手控/自控切换电路,使得在飞控失败时,可切换至手动模式遥控飞行。该部分的电路结构如图4所示。由于使用的遥控器含有9个PWM信号控制通道,而实际只使用了其中的5个通道,因此将其中的一路空闲通道设置为手控/自控切换开关通道。开关控制信号含有三个状态,每个状态对应的PWM周期均为20ms,而脉宽分别是1ms、1.5ms、2ms,这样通过读取该通道的脉宽值就可以确定此时飞机应该处于什么状态。为了与SOPC系统进行故障隔离,该部分电路单独使用了一片8位MCU处理器进行判别和切换处理。假设规定脉宽值为1ms时为手动控制状态,1.5ms/2ms时为自动控制状态,那么当MCU读到开关的脉宽值为1ms时,则控制继电器S1~S5释放,此时遥控器来的5路PWM信号直接发送给舵机,使系统工作于手动控制状态;而当MCU读到脉宽值非1ms时,则控制继电器S1~S5吸合,将手动控制信号屏蔽,此时SOPC输出的5路PWM信号送给舵机,使系统工作于自动控制状态,从而实现了手控与自控的切换。为保证安全性和可靠性,在设计中,手控/自控模式控制信号使用不同的供电电源,采用光耦器件进行隔离。

1.4三轴MEMS陀螺及加计电路为了减小体积和质量,选用硅微模块实现三轴陀螺及加计功能。该部分选用AD公司的ADIS16355单片解决方案,其与SOPC之间采用SPI串行数据接口实现通信。

1.5海量NANDFLASH存储器海量NANDFLASH存储器用于存储大量的飞行参数及掉电后需要保护的数据。

1.6电源模块用于把机上的蓄电池电压变换为SOPC系统所需的低电压。该部分采用Linear公司的高效DC/DC器件实现,输入为12V蓄电池电压,输出为3.3V、2.5V、1V电压,电路如图5所示。

2系统软件开发

飞控计算机软件开发分为FPGA可编程逻辑设计和应用程序软件设计,可以采用XILINX提供的Plat-formStudio和ISEDesignSuite设计环境。FPGA可编程逻辑设计采用VerilogHDL描述语言,实现UART、SPI接口、NANDFLASH管理、PWM输出、浮点运算协处理等功能,并通过内部双口RAM与POWERPC内核进行连接,另外还包含POWERPC系统所需的译码逻辑。在设计UART逻辑时,按照协议包形式进行解码,只接收约定的协议包(例如以0xEB90为包头,长度20字节),接收到完整的包后,则置出接收标志,处理器查询到接收标志后,从指定的单元取出数据包即可。该解包方式不占用处理器资源,因此对于无人机应用中串口传感器数量多的特点,可以极大提高应用软件的执行效率。

3结论

SOPC技术是IC设计的发展方向,本方案给出的基于SOPC技术的微型无人机飞控计算机设计方案,在某型MUAV中替代了基于PC104的方案,其体积质量不到原来的十分之一,运算性能却远高于原方案。事实证明,该设计方案切实可行。

作者:景涛马新刚单位:海军装备部飞行自动控制研究所

飞控计算机设计论文责任编辑:杨雪    阅读:人次