基于DSP的飛行控制器的設(shè)計(jì)
| 摘要：基于DSP的飛行控制器硬件采用DSP、A/D、D/A芯片，外圍標(biāo)準(zhǔn)接口、電源控制、抗干擾等電路設(shè)計(jì)。軟件以直接程序設(shè)計(jì)方式開發(fā)，包括主模塊、定時(shí)/串行中斷處理模塊。軟件系統(tǒng)載于DSP FLASH中，自檢后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、通信、計(jì)算及信號(hào)輸出?，F(xiàn)場(chǎng)裝定飛行模式航跡數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)修正飛行軌跡，定時(shí)發(fā)送遙測(cè)、控制信號(hào)。 Design of Flight Controller Based on DSP GU Yue-xu, GONG Hua-jun (Dept. of Automation, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China) Abstract: The flight controller hardware Based on DSP adopts DSP, A/D, D/A , standard peripheral interface, power control, resisting circuit of interfering etc. Software may be developed by direct procedure design, including primary module, timing/serial interrupt handling module and so on. Software system can be loaded into FLASH of DSP, and data gathering, communications, calculation and control signal export will occur after self-test. Flight path data will be loaded on spot, and during the flight revising the flight orbit in real time, sending remote measurement and control signal can be of fered. Key words: Flight controller; DSP; Interrupt handling; Flight mode 1 引言 飛行控制器是無人機(jī)飛行系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、余度管理、控制律計(jì)算等任務(wù)。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，要求無人機(jī)的控制核心向高精度和小型化方向發(fā)展。目前基于PC/104的無人機(jī)飛行控制器，由控制板、通信板、信號(hào)處理板、接口板、電源板等10多塊插件組成，不能根據(jù)不同飛行控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行有效裁減，資源浪費(fèi)，成本高。此外，PC/104復(fù)位啟動(dòng)時(shí)間至少需要數(shù)秒，與飛行控制數(shù)十毫秒級(jí)的要求相距甚遠(yuǎn)。故設(shè)計(jì)了基于DSP的新型飛行控制器。 2 無人機(jī)飛行控制器的設(shè)計(jì) 2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本嵌入式無人機(jī)飛行控制器硬件系統(tǒng)原理如圖1，采用TI公司16位TMS320LF2407A DSP為系統(tǒng)的控制核心。根據(jù)飛行控制軟件設(shè)計(jì)的要求，本方案外擴(kuò)了64K程序空間和數(shù)據(jù)空間，及寬電壓輸入、高精度的A/D采樣芯片，以適應(yīng)當(dāng)無人機(jī)大機(jī)動(dòng)飛行（如起飛、著陸）、速率陀螺和位置陀螺信號(hào)大范圍變化。由于該芯片沒有專門的DAC轉(zhuǎn)換模塊，又分別擴(kuò)展了2路RS-232C、1路RS-422和1路RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口。同時(shí)，只需對(duì)DSP芯片進(jìn)行如串行口轉(zhuǎn)換、開關(guān)量隔離、模擬信號(hào)前后處理等外部接口擴(kuò)展，即可滿足飛行控制系統(tǒng)所有功能和未來擴(kuò)展性的要求。性能指標(biāo)如表1所示。 表1 本方案設(shè)計(jì)的飛行控制器性能指標(biāo) 部件 數(shù)量 說明 10位ADC 16路 采樣速率200Ksps/16路 16位PWM 16路 12位DA 4路 DI ≥16 外加隔離 DO ≥16 外加隔離 UART 2＋4路 SCI/SPI，外擴(kuò)4路 RAM 4K 可外擴(kuò)64K FLASH 32K 2.2 軟件設(shè)計(jì) (1) 軟件功能及結(jié)構(gòu) 整個(gè)軟件系統(tǒng)被裝載在DSP的FLASH中，由DSP負(fù)責(zé)所有輸入通道的數(shù)據(jù)采集、串行通信、飛行控制律計(jì)算、控制指令的實(shí)時(shí)生成，并將模擬輸出和開關(guān)量輸出信號(hào)分發(fā)調(diào)度到芯片的各個(gè)外部端口。軟件系統(tǒng)流程和數(shù)據(jù)流向如圖2。串口通信基于中斷方式，與主循環(huán)流程并列運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)機(jī)制。通過遙控口現(xiàn)場(chǎng)裝定自主飛行模式下理想的航跡數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)修正飛行軌跡。并能定時(shí)發(fā)送遙測(cè)信號(hào)。 DSP的軟件開發(fā)采用直接程序設(shè)計(jì)方式，也可基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ERTOS：Real-Time Operation System）進(jìn)行。 圖2 軟件設(shè)計(jì)方案 本軟件系統(tǒng)啟動(dòng)速度達(dá)毫秒級(jí)，浮點(diǎn)運(yùn)算速度滿足FCS的要求，在40MHz晶振下，計(jì)算時(shí)間≤1ms，綜合控制的計(jì)算周期≤20ms。 系統(tǒng)軟件分主模塊、定時(shí)中斷處理模塊、串行中斷處理模塊。主流程完成系統(tǒng)初始化，各個(gè)任務(wù)狀態(tài)切換。流程圖如圖3。定時(shí)中斷處理模塊處理與時(shí)間有關(guān)的周期性任務(wù)，包括檢測(cè)和任務(wù)規(guī)劃數(shù)據(jù)處理，飛行控制律計(jì)算等，流程圖如圖4。定時(shí)中斷每20～50ms一次，使用DSP內(nèi)部定時(shí)器控制。飛行模態(tài)管理處理無線電、GPS及故障后的應(yīng)急返航等之間的轉(zhuǎn)換。串行中斷處理模塊完成串行中斷源識(shí)別，遙控碼識(shí)別，遙控解碼以及任務(wù)設(shè)備管理等。 (2) 主流程代碼框架示例 無操作系統(tǒng)直接程序設(shè)計(jì)代碼框架如下： main( ) { … … TFlt_Data_Reset( ); while(1) { switch (m_cs) { case cs_Stop: Stopping(); break; case cs_Takeoff: Takingoff(); break; case cs_Fly: Flying(); break; case cs_Land: Landing(); break; case cs_Crash: Crash(); break; } … … } … … } 其中，自主飛行的代碼框架結(jié)構(gòu)如下： void Flying() { if(FlyingPreStage) else { switch (m_logs) { case logs_Even: Log_Even(); break; //平飛 case logs_Rise: Log_Rise(); break; //上升 case logs_Decline: Log_Decline(); break; //下降 } } (3) 模塊之間的調(diào)用以及實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì) 考慮到實(shí)時(shí)性要求，定時(shí)器中斷的優(yōu)先級(jí)高于串口中斷。各串口中斷優(yōu)先級(jí)的高低隨串口波特率的不同而不同，波特率高的優(yōu)先級(jí)高。 4 結(jié)論 由于采用了DSP，本方案硬件外圍芯片相對(duì)較少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單優(yōu)化，成本較低但又不失可靠性。整個(gè)主機(jī)系統(tǒng)的硬件可采用單片印刷線路板結(jié)構(gòu)，開發(fā)的重點(diǎn)將放在外圍接口（前置與后置放大、隔離濾波等）、電源控制、抗干擾等電路的設(shè)計(jì)上，因而開發(fā)工作量大大減少。印刷線路板面積可做到≤15×20cm2，溫度特性滿足工業(yè)級(jí)的-45～+60℃。如前所述，可以考慮引入嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，UC/OS是個(gè)不錯(cuò)的選擇。 參考文獻(xiàn)： [1] Texas Instruments. TMS320F/C24x DSP Controllers Reference Guide [Z]. USA: Texas Instruments, 1999. [2] Texas Instruments. TMS320C2x/C2xxx/C5x/ Optimizing C Complier User’s Guide [Z]. USA: Texas Instruments, 1999. [3] Texas Instruments. Getting Started in C and Assembly Code with the TMS320LF240x DSP [Z]. USA: Texas Instruments, 2002. [4] 劉和平, 等. TMS320LF240x DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2002. [5]（德）魯?shù)婪? 布魯克豪斯. 飛行控制[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1994. 注：古月徐，男（1981-），漢，南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制專業(yè)碩士研究生。通信地址：南京航空航天大學(xué)224# ，郵編：210016。 電話：13813825489 電子郵箱：happygod2004@hotmail.com |
