DSP实现无人飞行器控制系统

1 引 言

　　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。

　　图1 系统硬件总体设计结构图

　　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。在AD1*的使用上采用程序启动、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。

　　图2 A /D扩展电路框图

　　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， ADR I0， ADR I1= 00， 01， 10是分别对应子串口0， ，l 2; ADRO0， ADRO1 是上行地址线， ADRO0，ADRO1- 00， 01， 10 是分别对应子串口0， 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。 [p] 1 引 言

　　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。
[p] 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。

　　图5 系统控制流程图

　　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。

　　图6 舵机控制信号

　　5 结束语

　　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。