基于DSP的无人飞行器飞行控制系统设计

1 引 言

　　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。

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。

　　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.