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1、基 于 DSP 的 UAV飞 控 计 算 机设 计 与 半 物 理 仿 真雷 亚 平 , 杨 忠 , 沈 春 林(南 京 航 空 航 天 大 学 自 动 化 学 院 , 南 京 210016)摘 要 : 飞 行 控 制 计 算 机 ( FCC)作 为 飞 行 控 制 系 统 的 核 心 , 担 负 着 多 种 任 务 。 随 着 系 统 功 能 的 日 益 增 多 ,飞 行 包 线 的 不 断 扩 大 , 模 拟 式 FCC 已 经 越 来 越 不 能 满 足 系 统 要 求 。 针 对 目 前 FCC 向 数 字 式 、 智 能 化 方 向 发展 , 本 文 利 用 高 速 DSP 芯 片
2、, 结 合 复 杂 可 编 程 器 件 (CPLD) , 设 计 出 一 种 集 高 可 靠 性 、 高 集 成 度 、 高 精 度 于 一体 的 新 型 FCC , 最 后 在 此 基 础 上 外 加 了 数 据 采 集 卡 组 成 闭 环 半 物 理 系 统 , 并 进 行 了 仿 真 。 仿 真 结 果 表 明 , 本文 这 一 全 新 尝 试 完 全 可 行 , 且 应 用 前 景 将 非 常 广 泛 。关 键 词 : 飞 行 控 制 计 算 机 ; 无 人 机 ; 复 杂 可 编 程 器UAV Flight Control Computer Design Based on DSPan
3、d Its Semi - Physical SimulationLei Yaping , Yang Zhong , Shen Chunlin(College of Automation Engineering , Nanjing University of Aeronautics& Astronautics , Nanjing 210016 , China)Abstract : Flight control computer ( FCC) , as the core of a flight control system ( FCS) , takeson multiple tasks for t
4、he FCS , with the increase of function and the expansion of mission envelope ,analog FCC can t meet requirements of FCS. In view of a FFC tendency towards digitization andintellectualization , a high reliability , high integration and high precision digital FCC is designed us2ing a DSP (as processor
5、) and CPLD. The FCC combined with a data collection board forms loop se2mi physical system , system simulations are performed , The simulation results show that this designis practicable and has a wide application prospect .Key words : flight control computer ; unmanned air vehicle ; complex program
6、mab1e logic de2vice随 着 航 空 技 术 的 发 展 , 无 人 机 (UAV Un2manned Air Vehicle )越 来 越 走 向 高 精 度 和 小 型 化 的道 路 , 导 航 控 制 方 式 也 由 遥 控 方 式 向 自 主 和 智 能方 向 发 展 , 所 以 就 要 求 作 为 控 制 核 心 的 飞 行 控 制计 算 机 (FCC Flight Control Computer )具 有 精 度高 、 体 积 小 、 稳 定 性 好 、 能 够 适 应 复 杂 外 界 环 境的 特 点 。 随 着 微 电 子 技 术 、 超 大 规 模 集 成
7、电 路 工艺 的 发 展 , 数 字 集 成 电 路 不 断 更 新 换 代 。 目 前 ,广 泛 使 用 的 计 算 芯 片 是 DSP , 当 今 世 界 DSP 市 场一 半 是 被 TI公 司 的 TMS320 系 列 所 占 领 , 而 另 一半 分 别 是 被 Lucent , AD 和 Motorola 等 公 司 所 占 领 。针 对 这 一 情 况 , 本 文 选 用 TI公 司 的 TMS320C2000收 稿 日 期 : 2002 - 11 - 2055雷 亚 平 , 杨 忠 , 沈 春 林 : 基 于 DSP 的 UAV 飞 控 计 算 机 设 计 与 半 物 理 仿
8、真系 列 芯 片 , 这 是 一 款 特 别 适 合 控 制 领 域 应 用 的 芯片 , 内 部 资 源 丰 富 , 在 此 基 础 上 设 计 出 一 种 集 高速 度 、 高 精 度 和 小 型 化 于 一 体 的 新 型 FCC1 ,2 。1 FCC硬 件 设 计 与 实 现111 FCC系 统 结 构FCC 是 飞 行 控 制 系 统 的 核 心 , 担 负 着 飞 行 系统 的 数 据 采 集 、 余 度 管 理 、 控 制 律 计 算 等 重 要 任务 , 因 此 FCC 的 性 能 决 定 了 飞 行 控 制 系 统 的 稳 定性 3 。 本 文 系 统 是 针 对 某 型 号
9、 数 字 式 UAV 而 设计 的 , 性 能 指 标 如 下 :(1)具 有 多 路 模 拟 信 号 的 高 精 度 采 集 能 力 。(2) 具 有 多 路 开 关 量 离 散 信 号 、 模 拟 信 号 和PWM 脉 冲 形 式 的 控 制 信 号 输 出 能 力 。(3)具 有 多 个 通 信 信 道 。(4)具 有 较 大 的 程 序 、 数 据 存 储 空 间 。图 1 为 FCC 系 统 总 体 结 构 图 , 在 充 分 利 用DSP 内 部 A/ D、 IO 和 串 行 口 等 资 源 4 ,5 的 基 础上 , 对 外 部 RAM、 A/ D、 D/ A、 异 步 串 行
10、通 信 口进 行 了 扩 展 。图 1 飞 行 控 制 计 算 机 总 体 结 构112 硬 件 实 现11211 A/ D、 D/ A 电 路 实 现本 文 选 用 的 TMS320L F240X 自 带 16 路 模 拟量 输 入 , 精 度 10 Bit , 输 入 电 压 0 313 V。 UAV做 小 扰 动 飞 行 时 , 姿 态 和 角 速 率 变 化 范 围 比 较小 , DSP 内 部 的 A/ D 精 度 可 以 满 足 要 求 ; 当UAV 做 大 机 动 飞 行 时 (如 起 飞 、 着 陆 等 ) , 速 率陀 螺 和 位 置 陀 螺 信 号 变 化 范 围 比 较
11、大 , 因 此 需 要高 精 度 、 宽 输 入 的 模 拟 量 转 换 芯 片 。 系 统 选 用 BB公 司 的 ADS7825 , 该 芯 片 具 有 4 路 模 拟 量 输 入 ,输 入 范 围 - 10 + 10V , 精 度 16 Bit , 性 能 指 标 完全 满 足 要 求 。 在 电 路 设 计 中 , 系 统 采 用 74L S245进 行 数 据 的 锁 存 与 驱 动 , 74L S245 的 数 据 传 输 方向 由 DSP 的 W-R 信 号 控 制 ; ADS7825 的 复 位 与 转换 引 脚 R/ C 由 DSP 的 IO 口 单 独 驱 动 , 转 换
12、通 道由 地 址 A0、 A1 片 选 。除 了 PWM 信 号 外 , 系 统 还 需 要 3 路 模 拟 信号 输 出 驱 动 舵 机 (如 图 1) , 因 此 , 需 要 再 扩 展 3路 模 拟 通 道 , 系 统 选 用 BB 公 司 的 DAC7625 , 该芯 片 具 有 4 路 模 拟 量 输 出 、 12 Bit 精 度 。 A/ D、D/ A 的 外 围 扩 展 原 理 图 如 图 2 所 示 。图 2 外 围 A/ D、 D/ A 原 理 图11212 串 口 电 路 的 实 现为 了 安 全 可 靠 地 完 成 飞 行 任 务 , FCC 需 不 停地 和 多 个 外
13、 部 设 备 进 行 通 讯 , 而 且 要 求 FCC 具 有RS232、 RS422、 RS485 等 多 种 通 讯 规 格 , 但TMS320L F240x 系 列 芯 片 只 含 有 1 个 串 行 通 信 接口 模 块 ( SCI) 和 1 个 16 位 的 串 行 外 设 接 口 模 块(SPI) , 因 此 , 需 要 对 串 行 口 进 行 扩 展 。一 般 的 设 计 方 法 是 利 用 DSP 通 用 的 I/ O 口 来模 拟 生 成 串 口 , 并 通 过 软 件 设 定 波 特 率 , 这 在DSP 不 繁 忙 的 情 况 下 是 可 行 的 。 但 是 在 本 系
14、 统中 , UAV 要 求 DSP 不 断 地 进 行 传 感 器 信 号 采 集65 飞 机 设 计 第 1 期 2004 年 3 月和 控 制 律 计 算 , 并 且 对 串 口 实 时 性 要 求 较 高 , 因此 这 种 方 法 是 无 法 实 施 的 。本 文 选 用 TI 公 司 异 步 通 信 芯 片 16C554 来 实现 对 DSP 串 行 口 的 扩 展 , 该 芯 片 含 4 个 16C550异 步 通 信 单 元 , 每 个 单 元 独 立 控 制 发 送 与 接 收 ,波 特 率 发 生 器 可 编 程 , 且 具 有 16Byte FIFOs。 通过 外 加 电 平
15、 转 换 芯 片 就 可 以 实 现 RS232 , RS422 ,RS485 通 讯 , 原 理 图 如 图 3 所 示 。图 3 串 口 扩 展 原 理 图11213 复 杂 可 编 程 器 件 的 使 用利 用 复 杂 可 编 程 器 件 ( CPLD ComplexProgrammable Logic Device )扩 展 DSP 外 设 , 可 以使 设 计 者 在 系 统 内 进 行 编 程 , 且 布 局 、 布 线 方便 , 芯 片 不 必 脱 离 线 路 板 就 可 以 下 载 程 序 、 更 新设 计 , 真 正 实 现 了 硬 件 软 件 化 6 。 如 图 4 所 示
16、 ,本 文 最 终 实 现 的 FCC 系 统 是 在 原 有 DSP 组 成 的高 速 信 号 处 理 的 基 础 上 , 外 加 了 CPLD 芯 片 构成 。 接 口 器 件 A/ D、 D/ A、 16C554 和 DSP 的 连接 完 全 是 通 过 CPLD 实 现 的 。 其 中 CPLD 的 输 入信 号 来 自 DSP 的 地 址 总 线 (A0 A15) 、 读 写 信 号(W-R 与 R- W )以 及 外 部 I/ O 空 间 选 通 信 号 ( IS) ,而 输 出 信 号 为 外 部 器 件 A/ D、 D/ A、 16C554 的 片选 信 号 。图 4 CPLD 与 外 围 芯 片 的 连 接 图采 用 一 般 的 逻 辑 芯 片 的 系 统 设 计 , 在 设 计 开始 阶 段 就 必 须 详 细 考 虑 电 路 的 细 节 , 有 时 还 必 须分 阶 段 设 计 , 并 有 可 能 中 间 要 加 工 多 次 P
