基于FPGA的無人機(jī)控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：根據(jù)無人機(jī)系統(tǒng)的控制特點(diǎn)，提出了一種基于FPGA的無人機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案，并完成了該方案的軟硬件設(shè)計(jì)。該方案將鍵盤掃描、AD采樣、指令編碼與顯示和指令異步串行發(fā)送等功能模塊集成到FPGA內(nèi)部，簡(jiǎn)化了控制器硬件結(jié)構(gòu)。實(shí)際應(yīng)用表明，該無人機(jī)控制器具有指令群延時(shí)低、功能可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足使用要求。
關(guān)鍵詞：無人機(jī)控制器；FPFG；鍵盤掃描；UART

 無人機(jī)的飛行控制和機(jī)載電子設(shè)備的控制指令主要通過地面控制計(jì)算機(jī)中的軟件或者無人機(jī)控制器產(chǎn)生，這兩種相互獨(dú)立的控制方式互為備份。而無人機(jī)控制器主要由硬件電路和嵌入式軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，不依賴于計(jì)算機(jī)，因此具有可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)遠(yuǎn)程遙控的主要方式之一。傳統(tǒng)的無人機(jī)控制器主要由單片機(jī)、ARM和8279等芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于無人機(jī)控制
系統(tǒng)對(duì)指令時(shí)延要求和測(cè)控系統(tǒng)時(shí)序同步等問題，該設(shè)計(jì)方法增加了測(cè)控設(shè)備軟件的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，特別針對(duì)滑跑起降型無人機(jī)遙控信道低延時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)際應(yīng)用要求，傳統(tǒng)無人機(jī)控制器產(chǎn)生的指令延時(shí)難以滿足無人機(jī)起降控制要求。
 采用基于FPGA設(shè)計(jì)的無人機(jī)控制器，充分利用了FPGA并行數(shù)據(jù)處理能力和同步設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，將鍵盤掃描、指令編碼與顯示、指令異步串行發(fā)送等功能模塊都集成在FPGA內(nèi)部，外圍電路僅包含AD采樣、電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)芯片等簡(jiǎn)單電路，避免了MCU等單指令周期芯片的時(shí)序缺點(diǎn)，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性更強(qiáng)，遙控指令的觸發(fā)到輸出的指令數(shù)據(jù)群延時(shí)小于80  ms，能夠滿足各種類型無人機(jī)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制要求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案
無人機(jī)控制器主要由控制鍵盤、數(shù)碼顯示板和控制器數(shù)據(jù)處理板組成?？刂奇I盤由8x8開關(guān)矩陣鍵盤和航向控制器構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)控制器鍵盤掃描代碼和航向模擬量的產(chǎn)生。數(shù)碼顯示板由6個(gè)16進(jìn)制數(shù)碼管組成，主要實(shí)現(xiàn)控制指令代碼和航向數(shù)據(jù)的同步顯示。作為無人機(jī)遙控控制器的核心部件，控制器數(shù)據(jù)處理板采用Altera公司的低成本Cyclone4系列FPGA芯片EP4CE10作為指令和數(shù)據(jù)處理的核心芯片；為降低FPGA硬件資源消耗，AD芯片選用MAXIM公司的串行12Bits  AD采樣芯片MAX11105，理論航向傳感器控制精度可達(dá)0．09°；UART電平轉(zhuǎn)換芯片選用MAXIM公司的MAX3387芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，具有良好的可擴(kuò)展性?？刂破餍盘?hào)處理板主要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)控制指令的鍵盤掃描與AD采樣、指令編碼與顯示和遙控指令異步串行發(fā)送等功能。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2．3 指令發(fā)送模塊
指令發(fā)送模塊接收到編碼后的控制指令和航向控制器數(shù)據(jù)后，將編碼后的指令數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為遙控幀數(shù)據(jù)，并按照異步串行通信協(xié)議(UART)將遙控幀數(shù)據(jù)輸出到MAX3387進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，遙控幀數(shù)據(jù)串行波特率選取19  200，8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位。指令發(fā)送模塊SignalTapII在線仿真結(jié)果及計(jì)算機(jī)接收到的遙控幀數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。YK_SEND_EN為數(shù)據(jù)發(fā)送使能信號(hào)，Test_Vara為發(fā)送的8  bits并行遙控?cái)?shù)據(jù)，YK_UART_Out為異步串行數(shù)據(jù)FPGA輸出端波形信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用
無人機(jī)控制器安裝于某型無人機(jī)地面控制站中。地面站加電后，控制器數(shù)據(jù)處理板開始工作，每間隔40  ms分別對(duì)8x8矩陣鍵盤和無人機(jī)航向控制器進(jìn)行鍵盤掃描與AD采樣，并實(shí)時(shí)將采集到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的遙控指令代碼，一路驅(qū)動(dòng)數(shù)碼顯示管將指令代碼實(shí)時(shí)顯示，一路將指令代碼轉(zhuǎn)換成RS232異步串行數(shù)據(jù)通過測(cè)控設(shè)備發(fā)送至無人機(jī)，控制器數(shù)據(jù)處理板實(shí)物如圖6所示。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，采用基于FPGA設(shè)計(jì)的無人機(jī)控制器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足使用要求，控制指令群時(shí)延小于80  ms，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)論
根據(jù)無人機(jī)的控制特點(diǎn)，文中提出了一種基于FPGA的無人機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案，該方法充分利用FPGA并行處理能力，簡(jiǎn)化了無人機(jī)控制器的硬件結(jié)構(gòu)，降低了遙控指令群延時(shí)，解決了測(cè)控設(shè)備的時(shí)序匹配問題，并且具有較好的功能可擴(kuò)展性，該控制器已經(jīng)在某型無人機(jī)系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。