飛控計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)論文范文

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1系統(tǒng)硬件構(gòu)建

飛控計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成如圖2所示，硬件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，具體包括以下模塊。

1．1SOPC模塊SOPC是飛控計(jì)算機(jī)的核心，其內(nèi)核處理器用以支撐應(yīng)用軟件的運(yùn)行，內(nèi)部大容量的可編程邏輯用于管理對(duì)外的串口通信、管理SPI接口的MEMS傳感器、管理海量NANDFLASH存儲(chǔ)器、輸出PWM波實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的自動(dòng)控制。SOPC選用XILINX公司的Virtex－5芯片XC5FXT70T－F665，它采用65nm工藝，1V的內(nèi)核電壓，功耗較Virtex－4降低50%;具有71680個(gè)可編程邏輯單元;具有820KbitsLUTRAM和5328Kbits的塊RAM;集成雙核IBMPowerPC440處理器硬核，提供1100DMIPS@550MHz的性能;集成128個(gè)DSP邏輯片，提供高達(dá)192GMACsDSP性能;集成4路IEEE802．3標(biāo)準(zhǔn)10/100Mbit/s以太網(wǎng)MAC硬核;內(nèi)置16通道GTX串行口收發(fā)器，可提供高達(dá)6．5Gbit/s性能;內(nèi)置3個(gè)PCIExpress節(jié)點(diǎn)塊;采用665腳的封裝，外形尺寸僅27mm×27mm;軟件支持LINUX、VX-WORKS等操作系統(tǒng)。

1．2RS-232/422驅(qū)動(dòng)電路由于外部GPS、高度表、磁力計(jì)、測(cè)控設(shè)備等傳感器均為RS-232或RS-422電平，而SOPC的UART輸出為L(zhǎng)VTTL電平，因此需要RS－232/422驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)兩者之間的電平轉(zhuǎn)換，電路如圖3所示。此處選用MAXIM公司的MAX3232和MAX3490芯片，前者實(shí)現(xiàn)RS-232與LVTTL電平轉(zhuǎn)換，后者實(shí)現(xiàn)RS-422與LVT-TL電平轉(zhuǎn)換。

1．3手/自切換電路為了給飛行器提供一個(gè)保護(hù)措施，該設(shè)計(jì)方案中還包括手控/自控切換電路，使得在飛控失敗時(shí)，可切換至手動(dòng)模式遙控飛行。該部分的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于使用的遙控器含有9個(gè)PWM信號(hào)控制通道，而實(shí)際只使用了其中的5個(gè)通道，因此將其中的一路空閑通道設(shè)置為手控/自控切換開(kāi)關(guān)通道。開(kāi)關(guān)控制信號(hào)含有三個(gè)狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的PWM周期均為20ms，而脈寬分別是1ms、1．5ms、2ms，這樣通過(guò)讀取該通道的脈寬值就可以確定此時(shí)飛機(jī)應(yīng)該處于什么狀態(tài)。為了與SOPC系統(tǒng)進(jìn)行故障隔離，該部分電路單獨(dú)使用了一片8位MCU處理器進(jìn)行判別和切換處理。假設(shè)規(guī)定脈寬值為1ms時(shí)為手動(dòng)控制狀態(tài)，1．5ms/2ms時(shí)為自動(dòng)控制狀態(tài)，那么當(dāng)MCU讀到開(kāi)關(guān)的脈寬值為1ms時(shí)，則控制繼電器S1～S5釋放，此時(shí)遙控器來(lái)的5路PWM信號(hào)直接發(fā)送給舵機(jī)，使系統(tǒng)工作于手動(dòng)控制狀態(tài);而當(dāng)MCU讀到脈寬值非1ms時(shí)，則控制繼電器S1～S5吸合，將手動(dòng)控制信號(hào)屏蔽，此時(shí)SOPC輸出的5路PWM信號(hào)送給舵機(jī)，使系統(tǒng)工作于自動(dòng)控制狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了手控與自控的切換。為保證安全性和可靠性，在設(shè)計(jì)中，手控/自控模式控制信號(hào)使用不同的供電電源，采用光耦器件進(jìn)行隔離。

1．4三軸MEMS陀螺及加計(jì)電路為了減小體積和質(zhì)量，選用硅微模塊實(shí)現(xiàn)三軸陀螺及加計(jì)功能。該部分選用AD公司的ADIS16355單片解決方案，其與SOPC之間采用SPI串行數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)通信。

1．5海量NANDFLASH存儲(chǔ)器海量NANDFLASH存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)大量的飛行參數(shù)及掉電后需要保護(hù)的數(shù)據(jù)。

1．6電源模塊用于把機(jī)上的蓄電池電壓變換為SOPC系統(tǒng)所需的低電壓。該部分采用Linear公司的高效DC/DC器件實(shí)現(xiàn)，輸入為12V蓄電池電壓，輸出為3．3V、2．5V、1V電壓，電路如圖5所示。

2系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

飛控計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)分為FPGA可編程邏輯設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序軟件設(shè)計(jì)，可以采用XILINX提供的Plat-formStudio和ISEDesignSuite設(shè)計(jì)環(huán)境。FPGA可編程邏輯設(shè)計(jì)采用VerilogHDL描述語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)UART、SPI接口、NANDFLASH管理、PWM輸出、浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理等功能，并通過(guò)內(nèi)部雙口RAM與POWERPC內(nèi)核進(jìn)行連接，另外還包含POWERPC系統(tǒng)所需的譯碼邏輯。在設(shè)計(jì)UART邏輯時(shí)，按照協(xié)議包形式進(jìn)行解碼，只接收約定的協(xié)議包(例如以0xEB90為包頭，長(zhǎng)度20字節(jié))，接收到完整的包后，則置出接收標(biāo)志，處理器查詢(xún)到接收標(biāo)志后，從指定的單元取出數(shù)據(jù)包即可。該解包方式不占用處理器資源，因此對(duì)于無(wú)人機(jī)應(yīng)用中串口傳感器數(shù)量多的特點(diǎn)，可以極大提高應(yīng)用軟件的執(zhí)行效率。

3結(jié)論

SOPC技術(shù)是IC設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，本方案給出的基于SOPC技術(shù)的微型無(wú)人機(jī)飛控計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方案，在某型MUAV中替代了基于PC104的方案，其體積質(zhì)量不到原來(lái)的十分之一，運(yùn)算性能卻遠(yuǎn)高于原方案。事實(shí)證明，該設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。

作者：景濤馬新剛單位：海軍裝備部飛行自動(dòng)控制研究所