基于DSP的飛行控制器的設計
| 摘要：基于DSP的飛行控制器硬件采用DSP、A/D、D/A芯片，外圍標準接口、電源控制、抗干擾等電路設計。軟件以直接程序設計方式開發(fā)，包括主模塊、定時/串行中斷處理模塊。軟件系統(tǒng)載于DSP FLASH中，自檢后，進行數據采集、通信、計算及信號輸出。現場裝定飛行模式航跡數據，實時修正飛行軌跡，定時發(fā)送遙測、控制信號。 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飛行系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，擔負著系統(tǒng)數據采集、余度管理、控制律計算等任務。隨著航空技術的發(fā)展，要求無人機的控制核心向高精度和小型化方向發(fā)展。目前基于PC/104的無人機飛行控制器，由控制板、通信板、信號處理板、接口板、電源板等10多塊插件組成，不能根據不同飛行控制系統(tǒng)的性能進行有效裁減，資源浪費，成本高。此外，PC/104復位啟動時間至少需要數秒，與飛行控制數十毫秒級的要求相距甚遠。故設計了基于DSP的新型飛行控制器。 2 無人機飛行控制器的設計 2.1 硬件結構設計 本嵌入式無人機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。根據飛行控制軟件設計的要求，本方案外擴了64K程序空間和數據空間，及寬電壓輸入、高精度的A/D采樣芯片，以適應當無人機大機動飛行（如起飛、著陸）、速率陀螺和位置陀螺信號大范圍變化。由于該芯片沒有專門的DAC轉換模塊，又分別擴展了2路RS-232C、1路RS-422和1路RS-485標準接口。同時，只需對DSP芯片進行如串行口轉換、開關量隔離、模擬信號前后處理等外部接口擴展，即可滿足飛行控制系統(tǒng)所有功能和未來擴展性的要求。性能指標如表1所示。 表1 本方案設計的飛行控制器性能指標 部件 數量 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4路 RAM 4K 可外擴64K FLASH 32K 2.2 軟件設計 (1) 軟件功能及結構 整個軟件系統(tǒng)被裝載在DSP的FLASH中，由DSP負責所有輸入通道的數據采集、串行通信、飛行控制律計算、控制指令的實時生成，并將模擬輸出和開關量輸出信號分發(fā)調度到芯片的各個外部端口。軟件系統(tǒng)流程和數據流向如圖2。串口通信基于中斷方式，與主循環(huán)流程并列運行，實現實時多任務機制。通過遙控口現場裝定自主飛行模式下理想的航跡數據，實時修正飛行軌跡。并能定時發(fā)送遙測信號。 DSP的軟件開發(fā)采用直接程序設計方式，也可基于嵌入式實時操作系統(tǒng)（ERTOS：Real-Time Operation System）進行。 圖2 軟件設計方案 本軟件系統(tǒng)啟動速度達毫秒級，浮點運算速度滿足FCS的要求，在40MHz晶振下，計算時間≤1ms，綜合控制的計算周期≤20ms。 系統(tǒng)軟件分主模塊、定時中斷處理模塊、串行中斷處理模塊。主流程完成系統(tǒng)初始化，各個任務狀態(tài)切換。流程圖如圖3。定時中斷處理模塊處理與時間有關的周期性任務，包括檢測和任務規(guī)劃數據處理，飛行控制律計算等，流程圖如圖4。定時中斷每20～50ms一次，使用DSP內部定時器控制。飛行模態(tài)管理處理無線電、GPS及故障后的應急返航等之間的轉換。串行中斷處理模塊完成串行中斷源識別，遙控碼識別，遙控解碼以及任務設備管理等。 (2) 主流程代碼框架示例 無操作系統(tǒng)直接程序設計代碼框架如下： 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構如下： 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) 模塊之間的調用以及實時性設計 考慮到實時性要求，定時器中斷的優(yōu)先級高于串口中斷。各串口中斷優(yōu)先級的高低隨串口波特率的不同而不同，波特率高的優(yōu)先級高。 4 結論 由于采用了DSP，本方案硬件外圍芯片相對較少，系統(tǒng)結構簡單優(yōu)化，成本較低但又不失可靠性。整個主機系統(tǒng)的硬件可采用單片印刷線路板結構，開發(fā)的重點將放在外圍接口（前置與后置放大、隔離濾波等）、電源控制、抗干擾等電路的設計上，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)級的-45～+60℃。如前所述，可以考慮引入嵌入式實時操作系統(tǒng)，UC/OS是個不錯的選擇。 參考文獻： [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結構、原理及應用[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2002. [5]（德）魯道夫, 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，南京航空航天大學自動化學院導航、制導與控制專業(yè)碩士研究生。通信地址：南京航空航天大學224# ，郵編：210016。 電話：13813825489 電子郵箱：happygod2004@hotmail.com |
