一種基于FPGA的無人機控制器設計方案

摘要：根據(jù)無人機系統(tǒng)的控制特點，提出了一種基于FPGA的無人機控制器設計方案，并完成了該方案的軟硬件設計。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，簡化了控制器硬件結(jié)構(gòu)。實際應用表明，該無人機控制器具有指令群延時低、功能可擴展性強等優(yōu)點，能夠滿足使用要求。

關(guān)鍵詞：無人機控制器;FPFG;鍵盤掃描;UART

無人機的飛行控制和機載電子設備的控制指令主要通過地面控制計算機中的軟件或者無人機控制器產(chǎn)生，這兩種相互獨立的控制方式互為備份。而無人機控制器主要由硬件電路和嵌入式軟件設計實現(xiàn)，不依賴于計算機，因此具有可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是實現(xiàn)無人機遠程遙控的主要方式之一。傳統(tǒng)的無人機控制器主要由單片機、ARM和8279等芯片設計實現(xiàn)，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但是對于無人機控制

系統(tǒng)對指令時延要求和測控系統(tǒng)時序同步等問題，該設計方法增加了測控設備軟件的設計復雜度，特別針對滑跑起降型無人機遙控信道低延時數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶋H應用要求，傳統(tǒng)無人機控制器產(chǎn)生的指令延時難以滿足無人機起降控制要求。

采用基于FPGA設計的無人機控制器，充分利用了FPGA并行數(shù)據(jù)處理能力和同步設計優(yōu)勢，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)動芯片等簡單電路，避免了MCU等單指令周期芯片的時序缺點，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)更為簡單，擴展性更強，遙控指令的觸發(fā)到輸出的指令數(shù)據(jù)群延時小于80 ms，能夠滿足各種類型無人機的實時遠程控制要求。

1 系統(tǒng)硬件設計方案

無人機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，主要實現(xiàn)無人機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16進制數(shù)碼管組成，主要實現(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0.09°;UART電平轉(zhuǎn)換芯片選用MAXIM公司的MAX3387芯片設計實現(xiàn)，具有良好的可擴展性?？刂破餍盘柼幚戆逯饕獙崿F(xiàn)無人機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。

如圖1所示，控制器數(shù)據(jù)處理板上的FPGA分別對控制鍵盤上的8x8矩陣鍵盤和航向控制器模擬信號進行行列掃描與AD采樣，以獲取鍵盤掃描碼和航向模擬量數(shù)據(jù)，并對采集到的指令和數(shù)據(jù)進行編碼轉(zhuǎn)換后得到指令控制代碼和航向控制數(shù)據(jù)。FPGA將編碼轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)同時分成兩路，一路驅(qū)動數(shù)碼顯示板實時顯示，另一路進行遙控組幀后按照標準異步串行通信協(xié)議(UART)發(fā)送至MAX3387進行RS232電平轉(zhuǎn)換，最后將含有控制指令的異步串行遙控數(shù)據(jù)通過測控設備發(fā)送至無人機，實現(xiàn)對無人機的遠程控制功能。

2 系統(tǒng)軟件設計方案

無人機控制器的軟件都集成在FPGA內(nèi)部，采用VHDL語言編程，并在Altera公司的QuartusII軟件環(huán)境下進行編譯和在線仿真。控制器主要包括鍵盤掃描、指令編碼與顯示、指令異步串行發(fā)送等功能模塊，系統(tǒng)的信號流程如圖2所示。系統(tǒng)加電后，F(xiàn)PGA每間隔40 ms對控制鍵盤和航向控制器進行一次行列掃描和AD數(shù)據(jù)采集，當檢測到有控制按鍵被觸發(fā)后，啟動按鍵去抖識別程序，將有效的控制按鍵的鍵盤掃描碼和AD采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成控制指令代碼和航向控制數(shù)據(jù)，并將指令和數(shù)據(jù)分成相同兩路，一路送入LED驅(qū)動模塊產(chǎn)生16進制數(shù)碼管顯示驅(qū)動信號，另一路送入指令異步串行發(fā)送模塊進行遙控組幀和控制數(shù)據(jù)加載，最后將包含指令數(shù)據(jù)的遙控幀數(shù)據(jù)按照異步串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議(UART)發(fā)出。

2.1 鍵盤掃描和AD采集模塊

根據(jù)控制指令的實時性要求，系統(tǒng)設計每隔40 ms分別對矩陣鍵盤和航向控制器進行一次行列掃描和AD采樣，當鍵盤上的按鍵被觸發(fā)時，啟動按鍵去抖識別程序，輸出滿足響應時間要求的按鍵16 bits鍵盤掃描碼。與此同時，將AD采集到的航向控制器模擬量串行數(shù)據(jù)進行串并轉(zhuǎn)換后輸出12 bits并行航向控制數(shù)據(jù)。該模塊的SignalTapII在線仿真結(jié)果如圖3所示。KB_RL和KB_Y分別為行掃描線和列掃描線，KB_SEN為鍵盤掃描使能信號，KEY_SCode為按鍵觸發(fā)后輸出的鍵盤掃描代碼，SAD_CS為芯片的采集使能信號，SAD_SDT為芯片串行數(shù)據(jù)輸入，SAD_PDT為串并轉(zhuǎn)換后的航向控制器結(jié)果數(shù)據(jù)。由圖3可知，一共有2個控制按鍵被順序觸發(fā)，共輸出了2個鍵盤掃描碼：7DFE和7EFE。航向控制器輸出數(shù)據(jù)位2EB，對應航向控制角度值約為66°。

2.2 指令編碼與顯示模塊

指令編碼與顯示模塊將接收到的16 bits鍵盤掃描碼和12 bits航向控制器數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進行指令和數(shù)據(jù)編碼，并將編碼后控制指令和數(shù)據(jù)發(fā)送至指令發(fā)送模塊，與此同時，為確保指令代碼和航向控制器數(shù)據(jù)正確傳輸，模塊驅(qū)動6個16進制數(shù)碼顯示管實時顯示編碼后的指令數(shù)據(jù)和航向控制器數(shù)據(jù)。指令編碼與顯示模塊的SignalTapII在線仿真結(jié)果及數(shù)碼管顯示結(jié)果如圖4所示。KB_INS為指令有效標志，KB_ EDAT為編碼后的指令代碼，SAD_EDT為編碼后的角度值。LED_LE為數(shù)碼管數(shù)據(jù)鎖存信號，LED_BL為數(shù)碼管使能信號，LED_DL為數(shù)碼管數(shù)據(jù)輸入端，由圖4可知，編碼后的控制指令代碼和航向控制器角度分別為033H和66°，數(shù)碼管顯示結(jié)果為033和066。

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，無奇偶校驗位。指令發(fā)送模塊SignalTapII在線仿真結(jié)果及計算機接收到的遙控幀數(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，Test_Vara為發(fā)送的8 bits并行遙控數(shù)據(jù)，YK_UART_Out為異步串行數(shù)據(jù)FPGA輸出端波形信號。

3 實驗應用

無人機控制器安裝于某型無人機地面控制站中。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8x8矩陣鍵盤和無人機航向控制器進行鍵盤掃描與AD采樣，并實時將采集到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應的遙控指令代碼，一路驅(qū)動數(shù)碼顯示管將指令代碼實時顯示，一路將指令代碼轉(zhuǎn)換成RS232異步串行數(shù)據(jù)通過測控設備發(fā)送至無人機，控制器數(shù)據(jù)處理板實物如圖6所示。實際應用結(jié)果表明，采用基于FPGA設計的無人機控制器的各項技術(shù)指標滿足使用要求，控制指令群時延小于80 ms，設備運行穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)論

根據(jù)無人機的控制特點，文中提出了一種基于FPGA的無人機控制器設計方案，該方法充分利用FPGA并行處理能力，簡化了無人機控制器的硬件結(jié)構(gòu)，降低了遙控指令群延時，解決了測控設備的時序匹配問題，并且具有較好的功能可擴展性，該控制器已經(jīng)在某型無人機系統(tǒng)中得到成功應用。