飛控計算機設計論文范文

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1系統硬件構建

飛控計算機的系統組成如圖2所示，硬件設計采用模塊化的設計方法，具體包括以下模塊。

1．1SOPC模塊SOPC是飛控計算機的核心，其內核處理器用以支撐應用軟件的運行，內部大容量的可編程邏輯用于管理對外的串口通信、管理SPI接口的MEMS傳感器、管理海量NANDFLASH存儲器、輸出PWM波實現對舵機的自動控制。SOPC選用XILINX公司的Virtex－5芯片XC5FXT70T－F665，它采用65nm工藝，1V的內核電壓，功耗較Virtex－4降低50%;具有71680個可編程邏輯單元;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DSP邏輯片，提供高達192GMACsDSP性能;集成4路IEEE802．3標準10/100Mbit/s以太網MAC硬核;內置16通道GTX串行口收發器，可提供高達6．5Gbit/s性能;內置3個PCIExpress節點塊;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。

1．2RS-232/422驅動電路由于外部GPS、高度表、磁力計、測控設備等傳感器均為RS-232或RS-422電平，而SOPC的UART輸出為LVTTL電平，因此需要RS－232/422驅動電路實現兩者之間的電平轉換，電路如圖3所示。此處選用MAXIM公司的MAX3232和MAX3490芯片，前者實現RS-232與LVTTL電平轉換，后者實現RS-422與LVT-TL電平轉換。

1．3手/自切換電路為了給飛行器提供一個保護措施，該設計方案中還包括手控/自控切換電路，使得在飛控失敗時，可切換至手動模式遙控飛行。該部分的電路結構如圖4所示。由于使用的遙控器含有9個PWM信號控制通道，而實際只使用了其中的5個通道，因此將其中的一路空閑通道設置為手控/自控切換開關通道。開關控制信號含有三個狀態，每個狀態對應的PWM周期均為20ms，而脈寬分別是1ms、1．5ms、2ms，這樣通過讀取該通道的脈寬值就可以確定此時飛機應該處于什么狀態。為了與SOPC系統進行故障隔離，該部分電路單獨使用了一片8位MCU處理器進行判別和切換處理。假設規定脈寬值為1ms時為手動控制狀態，1．5ms/2ms時為自動控制狀態，那么當MCU讀到開關的脈寬值為1ms時，則控制繼電器S1～S5釋放，此時遙控器來的5路PWM信號直接發送給舵機，使系統工作于手動控制狀態;而當MCU讀到脈寬值非1ms時，則控制繼電器S1～S5吸合，將手動控制信號屏蔽，此時SOPC輸出的5路PWM信號送給舵機，使系統工作于自動控制狀態，從而實現了手控與自控的切換。為保證安全性和可靠性，在設計中，手控/自控模式控制信號使用不同的供電電源，采用光耦器件進行隔離。

1．4三軸MEMS陀螺及加計電路為了減小體積和質量，選用硅微模塊實現三軸陀螺及加計功能。該部分選用AD公司的ADIS16355單片解決方案，其與SOPC之間采用SPI串行數據接口實現通信。

1．5海量NANDFLASH存儲器海量NANDFLASH存儲器用于存儲大量的飛行參數及掉電后需要保護的數據。

1．6電源模塊用于把機上的蓄電池電壓變換為SOPC系統所需的低電壓。該部分采用Linear公司的高效DC/DC器件實現，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系統軟件開發

飛控計算機軟件開發分為FPGA可編程邏輯設計和應用程序軟件設計，可以采用XILINX提供的Plat-formStudio和ISEDesignSuite設計環境。FPGA可編程邏輯設計采用VerilogHDL描述語言，實現UART、SPI接口、NANDFLASH管理、PWM輸出、浮點運算協處理等功能，并通過內部雙口RAM與POWERPC內核進行連接，另外還包含POWERPC系統所需的譯碼邏輯。在設計UART邏輯時，按照協議包形式進行解碼，只接收約定的協議包(例如以0xEB90為包頭，長度20字節)，接收到完整的包后，則置出接收標志，處理器查詢到接收標志后，從指定的單元取出數據包即可。該解包方式不占用處理器資源，因此對于無人機應用中串口傳感器數量多的特點，可以極大提高應用軟件的執行效率。

3結論

SOPC技術是IC設計的發展方向，本方案給出的基于SOPC技術的微型無人機飛控計算機設計方案，在某型MUAV中替代了基于PC104的方案，其體積質量不到原來的十分之一，運算性能卻遠高于原方案。事實證明，該設計方案切實可行。

作者：景濤馬新剛單位：海軍裝備部飛行自動控制研究所