飞行控制计算机采集处理系统的设计与实现.pdf
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1、3 0 测控技术) 2 0 1 0年第2 9卷第 8期 飞行控制计算机采集处理系统的设计与实现 罗秋凤 , 王海涛。 , 蒋梦浩 ( 1 南京航空航天大学 无人机院, 江苏 南京2 1 0 0 1 6 ; 2 南京航空航天大学 自动化学院, 江苏 南京2 1 0 0 1 6 ; 3 江西省武警总队, 江西 南昌3 4 0 0 1 0 ) 摘要 : 针对飞行控制计算机对无人机姿 态和航迹信息采集处理的要 求, 给 出了以 D S P T Ms 3 2 O L 4 0 7 A 为平台的模拟量、 通信量、 开关量采集处理的详细设计方案。方案中分别阐述 了模拟量 、 通信量、 开关量 接 12电路 、
2、 片选控制逻辑和类 8 2 5 9中断控制逻辑的 C P L D思想、 硬件滤波和软件抗干扰思想。该采集 处理 系统硬件接 口简洁、 实时性强、 抗干扰特性好 , 具有很强的工程应用性。 关键词 : 无人机 ; 信号采集; D S P ; C P L D 中图分类号: T P 3 9 1 8 ; V 2 4 9 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 0 8 8 2 9 ( 2 0 1 0 ) 0 8 0 0 3 0 0 5 De s i g n a nd I m p l e m e n t o f Da t a- Ac q ui s i t i o n f o r Fl i g h
3、 t Co nt r o l S y s t e m L U O Q i u f e n g ,WA N G Ha i t a o ,J I A N G Me n g h a o 。 ( 1 R e s e a r c h I n s t i t u t e o f U n ma n n e d A i r c r a f t , N a mi n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s , N a mi n g 2 1 0 0 1 6 , C h i n a 2 C o l l
4、 e g e o f A u t o m a t i o n E n g i n e e r i n g , N a mi n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s , N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 , C h i n a ; 3 He a d q u a r t e r s o f Ar me d P o l i c e F o r c e o f J i a n g x i P r o v i n c e , Na n c h a n g 3 4 0
5、01 0 , C h i n a ) Abs t r a c t : To i mp r o v e t h e da t a a c qu i s i t i o n p e rfo r ma n c e o f fli g h t c o n t r o l s y s t e m e mb e dd e d i n u n ma n n e d a e ria l v e h i c l e ( U A V) ,t h e d e s i g n o f a s m a l l U A V c o n t r o l c o m p u t e r d a t a a c q u i s
6、 i t i o n s y s t e m b a s e d o n D S P ( T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 A )i s p r o p o s e d a n d i m p l e m e n t e d I t i n t r o d u c e s t h e s t r u c t u r e o f t h e d a t a - a c q u i s i t i o n s y s t e m f o r t h e a n a l o g u e s i g n a l s , t h e c o mmu n i c a t i o n s d a
7、 t a a n d t h e s w i t c h i n g d i s c r e t e s i g n a l s T h e d e s i g n s c h e me , h a r d w a r e i n t e rfa c e s a n d t h e a c q u i s i t i o n p r o c e s s o f e a c h mo d u l e a r e d e s c rib e d i n d e t a i l Be c a us e o f t h e c o mpl e x p r o g r a m m a b l e l o
8、 g i c d e v i c e ( C P L D )a p p l i c a t i o n s , c h i p - s e l e c t i o n l o g i c s i g n a l a n d s i mi l a r 8 2 5 9 i n t e r r u p t l o g i c e x t e n s i o n a r e i mp l e me n t e d s i mp l y i n t h e da t a a c q ui s i t i o n s y s t e m Th e i n t e rfa c e o f t h e UAV
9、 d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m b a s e d o n DS P ha s t he g o o d c h a r a c t e ris t i c o f a n t i i n t e rfe r e n c e I t a l s o h a s t h e c h a r a c t e ris t i c s o f r e a l - t i me p r o p e y , a c - c u r a c y , s t a b i l i t y I t ha s t h e s t r o n g a b i l
10、i t y o f e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n K e y w o r d s : u n ma n n e d a e ri a l v e h i c l e ( U A V ) ; d a t a a c q u i s i t i o n ; D S P ; C P L D 无人驾驶飞机简称无人机或 U A V( u n m a n n e d a e r i - a l v e h i c l e ) , 是一种由无线 电遥控操纵 或程序控制 、 无 人驾驶的一种可重复使用 的航空器 , 适合于完成危 险 性大、 机动性高等
11、有人飞机难以完成的任务 I 2 。 飞行控制计算机用于实现无人机从起飞到着陆全 过程 的飞行控制功能。飞行过程 中, 飞行控制计算 机 实时采集来自机载传感器的模拟量和通信量, 例如无 人机的飞行姿态信息 ( 俯仰角 、 滚转角、 航 向角及它们 收稿 日期 : 2 0 0 91 2 2 9 作者简介 : 罗秋风( 1 9 7 O 一) , 女, 副教授, 主要从事检测技术与 自动化装置的研究; 王海涛( 1 9 6 8 一) , 男, 副教授 , 主要从事光 电检测技 术研 究。 的变化速率 ) , 通过飞控 内回路操纵相关 的舵面 , 完成 无人机飞行姿态的操作与稳定; 采集处理导航系统
12、( 或高度速度传感器) 测定 的飞行高度 、 高度 速率, 通 过飞控外回路操纵升降舵 , 完成飞行高度的操纵与稳 定 ; 采集处理导航定位系统测定的经度 、 纬度 、 地速 、 高 度与航迹角等信息, 依托于飞控内回路, 完成二维航迹 的跟踪与稳定 、 飞行高度的操纵与稳定 , 实现三维 自主 飞行 。 此外 , 飞行控制计算机采集与解码遥控遥测 系统 的通信量, 获取地面测控站的上传信息, 实施航路和参 数的无线装订 , 以及无人机的人工引导飞行 ; 采集与解 码地检 1: 3 的通信量 , 完成对飞行控制计算机性 能和功 能的测试 ; 采集与变换各种开关离散量 , 完成飞行安全 飞行控制
13、计算机采集处理 系统的设计与 实现 3 1 控制 、 油门档位控制 、 指令操作盘响应和任务设备的管 理 。 l 信号采集 系统的需求分析 一般来说 , 飞行控制计算机采集信息分为模拟量 、 通信量 、 离散量 3大类。 模拟量信息包括 : 姿态传感器 的输 出信号 ( 俯仰 角 、 滚转角、 偏航角 、 俯仰角速率 、 滚转角速率 、 偏航角 速率) 、 执行机构的反馈信息( 副翼舵反馈 、 升降舵反 馈 、 方 向舵反馈 ) 、 发动机转速以及 温度 、 电源 电压等。 其中姿态传感器的输出信号或机载执行机构的反馈信 息是无人机飞控内外 回路控 制率解算 的基础 , 须用高 分辨率 的数模
14、转换器进行采集 , 并进行低频滤波 , 以消 除机内复杂电磁环境影响。 离散量信息包括 : 设备开关 、 武器投放 、 油 门指令 、 指令盘指令 、 安全指令 等。每一类指令都需要多路输 入或输 出的离散量控制信号 。 通信量信息包括: 导航系统、 遥控遥测系统、 地面 检测系统 、 高度速度传感 器、 航 向传感 器等 的通 信信 息, 其中与导航系统 、 遥控遥测系统 、 地面检测系统通 信 的数据量大 , 要求通信波特率高 , 误码丢码率低。 2 信号采集系统的总体设计 飞行控制计算 机采集处理 系统 构 成如 图 1所 示 , 采 集 处 理 核 心 C P U 为 D S P 处
15、理 器 T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 A, 其外 围扩展 了模拟量 ( A D &D A) 板 、 通信量 板 、 离散量调理板 、 和模拟量调理板 。母板在各个模块 之间起到一个“ 桥梁” 作用 , 其他模块通过欧式连接器 与母板相连 , 实现各个板卡间的信号传递、 转接和集线 等功能。 图 1 信号 采集 系统的组成 C P U主控制板是整个 飞行 控制计算 机硬件 系统 的核心模块 , C P U采用的是 T I 公 司 1 6位定点低功耗 的 T Ms 3 2 0 L F 2 4 0 7 A ( 以下简称“ 2 4 0 7 A” ) , 最大运行 速度可达到4 0 M
16、I P S , 指令周期 2 5 n 8 ( 4 0 MH z ) , 2 4 0 7 A 集成了众多片内外设 , 包括 : 1 6通道的 1 0位 A D转换 器、 控制器局域网( C A N ) 模块、 串行通信接口( S C I ) 模 块、 1 6位 的串行外设 ( S P I ) 接 口模 块 、 4 0个可单独编 程或复用 的通用 I O引脚 、 5个外部 中断、 看门狗定时 模块 ( WD T)等。 主 控 制 板 上 扩 展 了 6 4 K W 的 I S 6 1 L V 6 4 1 6作为程序存储器 , 用 于调试软件和机载软 件的存储 。另外 , 外扩 了 6 4 K W
17、的 N V S R A M数 据存 储器 , 用于掉 电和过低 电压时飞机姿态、 三维航迹等重 要数据的掉电保护。2 4 0 7 A丰富的片内资源和可扩展 性 , 使得飞行控制计算机具有较强的实时性 、 较高的自 主导航能力和成本低等特点。 由于飞行控制计算机 的设计规模较大 , 逻辑控制 较为复杂 , 因此在串 口扩展板上采用 了 A L T E R A公司 的 C P L D E P M 7 1 2 8 S L C 8 4来完成 系统 中各模块芯片的 逻辑片选 、 译码 , 及外部中断的控制。 3 信号采集 系统 的详 细设计 3 1 模拟量的采集 模拟量板主要完成无人机机载传感器的信号采
18、集 与转换功能。采用 的模 数转换器包括 2 4 0 7 A片内的 A D C和扩展的 A D C芯片 MA X 1 9 7 J , 下面分别介绍。 3 1 1 模数转换器( A D C) 介绍 2 4 0 7 A片内具有 1 6路内置采样 保持( S H ) 的 l 0 位模数转换模块 ( 简称 A D C ) , 片内 A D C具有软件启 动式( 用 S O C S E Q n位) 、 事件管理器式 ( E V A、 E V B ) 、 外部 A D C S O C式 的启 动转换模 式。多种启动转换方 式可实现不同模拟信号不同采样频率的功能 。无人机 的发动机转速、 电源电压、 温度等
19、采样精度要求不高的 模拟量采用片内 A D C来完成。 M A XI 9 7是 8通道 l 2位分辨率的并行接 口 A D C, + 5 V单独供 电, 双极性采样 , 模拟量电平范 围为 1 0 V或 - t- 5 V, A D C转换 时间为 6 IX S , 采样速率可达 1 0 0 k S s J 。三态数据总线 , “ 8+ 4 ” 的总线复用模式。俯 仰角、 滚转角、 偏航角 、 俯仰角速率 、 滚转角速率、 偏航 角速率和副翼舵反馈 、 升降舵反馈 、 方向舵反馈信号采 用 MA X 1 9 7来完成这些模拟量的采集处理。 3 1 2 模拟量采集的硬件接 口设计 MA X1 9
20、7的片选 ( C s) 及读 写 信号 ( R D、 WE) 在 E P M 7 1 2 8 S L C 8 4 C P L D中通过相应 的译码选通电路选 通 ; 控制数据总线高 低字节输 出允许信号 ( H B E N) 在 E P M7 1 2 8 S L C 8 4 C P L D 中 由 2 4 0 7 A 的 一个 通 用 I O 引 脚与其相连来控制该信 号的高低 电平 ; 中断输 出信号 ( I N T ) 与 2 4 0 7 A的外部中断引脚 X I N T 2在 C P L D中连 接。MA X1 9 7的硬件接 口原理如图 2所示 。 3 1 3模拟 量 的调 理 模拟量
21、输入 的幅值变换和硬件抗混叠滤波由模拟 量调理板完成。无人机系统中的机载传感器和舵机等 设备输出信号的电压范围一般为 一1 5一+1 5 V , 超过 MA X 1 9 7采样 电压范 围, 因此在数据采集前要把 这些 3 2 测控技术) 2 0 1 0年第2 9卷第 8期 输出信号调理为 MA X 1 9 7允许 的 一1 0+l 0 V的范 围内。又因为以上模拟信号为低 频信号 , 易受 到外 围 高频设备的干扰 , 所 以还需进行低通滤波。2 4 0 7 A片 上 A D C允许的电压范围0+ 3 3 V, 发动机转速等模 拟信号也须调理后才能被 D S P采集。 ADCI NO ADC
22、I N7 D O D 1 5 : ! 竺 D 0 D 1 l l N 1 一 信 卜 一 号 A 0 A 1 5 = 厂 C S : 一 调 而 一 理 W E : 卜 一 H B E N 一 板 一 IS E PM 宦 IN T TN 8 一 W E XI NT 2 1 0P C4 MAX1 9 7 图 2模拟量硬件接 口原理 图 图 3为设计原理图, 前级运放实施增益变换 , A = R , 后级运放实施二阶低通 巴特沃斯滤波, 通带内 增益不变 , 截止频率 =1 ( 2 盯s q r t ( C C 2 R 5 ) ) 。二阶低 通巴特 沃斯滤波器在截止频率处增益 变化很快 , 为了确
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- 飞行 控制 计算机 采集 处理 系统 设计 实现
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