首先要对无人机的飞控/导航任务和实现目标作需求分析。根据飞行要求和控制对象的复杂程度,选择控制周期;按照控制周期内控制计算量来确定计算的类型和运算速度,并结合外部单元确定接口方案,以及对抗干扰因素的考虑,可确定整体的通讯协议和接口形式。 在无人机的飞行过程中,为了实现一定的飞行任务,需要对其飞行姿态进行控制,引导飞机按照一定的航线准确飞行。为了进行姿态控制,就需要获得飞行姿态的实时参数信息以及遥控遥测参数。有了这些信息参数,经过计算机的控制算法计算,实时输出控制粮到执行机构,从而实现控制/导航目的,其构成示意图见图1。 垂直陀螺、三轴角速率陀螺输出的是模拟信号,因此飞控计算机必须具有多路模拟信号的高精度采集能力。而磁航向传感器、高度传感器以及与GPS和遥控遥测的等外围单元的数据交换则采用了RS-485、RS-232通讯协议,因此飞控计算机要具有多串口的通行能力。同时系统要求一系列的电平输出/输入接口、舵机接 1、ARM的选择 从计算精度、计算速度、控制性能要求、功耗及上述接口等方面考虑,采用ATMEL公司的AT91M55800A芯片作为CPU。该芯片集成了ARM7TDMI核、嵌入式ICE接口、存储器以及外围。 AT91M55800A具有先进系统总线(ASB)和先进外围总线(APB)两条主要总线,ASB接口由存储控制寄存器控制用于实现最高的性能。ARM7TDMI核通过ASB接口实现与片内32位存储器、外部总线接口(EBI)以及AMBA桥的连接。AMBA桥用来驱动APB;APB用来访问片内外围,优化系统功耗AT91M55800A通过完全可编程的外部总线接口直接连到片外存储器,使读或写操作最快可达一个时钟周期。8优先级向量中断控制器和片内外围数据控制器则显著提高了器件的实时性能. AT91M55800A主要硬件资源极其关键特性如下: (1)芯片提供了丰富的片上资源。有片上A/D和D/A转换器,则系统无需外接A/D和D/A芯片,提高了系统的可靠性,减少了系统的复杂性。AT91M55800A有片内看门狗电路,可以监测程序的意外失控。AT91M55800A芯片提供SPI总线,便于与扩展外设进行连接。 (2)集成了ARM7TDMIARMThumb处理核——低功耗高性能的32位RISC(ReducedInstructionSetComputer)处理器。指令功能强,采用能提供0.9MIPS/MHz的三级流水线和冯·诺依曼结构;具有能产生64位结果的增强型乘法器;寻址能力强,有ARM指令集和Thumb指令集;嵌入式ICE,先进的软件开发和调试环境。 (3)8KB片内SRAM.—32位数据总线宽度,单时钟周期访问。 (4)完全可编程的外部总线接口(EBI)—最大可寻址空间为64MB,多达8个片选线,软件可编程的8位或16位外部数据总线。 (5)8优先级、可单独屏蔽的向量中断控制器(AIC)—7个外部中断,包括一个高优先级、低延迟的中断请求。 (6)58个可编程I/O口线,由PIOA和PIOB控制。 (7)6通道16位定时器/计数器,实时时钟(RTC),系统定时器,看门狗定时器。 (8)主从式SPI接口—8~16位可编程数据长度,4个外部从芯片选择。 (9)采用片内主振荡器和PLL倍频的时钟产生器及片内32K振荡器的实实时钟—3MHz~33MHz频率范围。 (10)具有3个USART—每个USART有两个外围数据控制器(PDC)通道。 (11)8通道10位ADC和2通道10位DAC。 (12)先进电源管理控制器(APMC)—正常、等待、慢速、待机和掉电方式。 (13)针对所有数字引脚的JEEE1149.1JTAG边界扫描。 AT91M55800A上述功能和特点,使得复杂的控制算法可以在规定的时间内完成,且满足了精度的要求。 2、存储器的扩展 由于AT91M55800A内部存储器较小,所以程序和数据大多只能放在片外,因此要进行存储器扩展。AT91M55800A的内核采用了冯·诺依曼结构。存储器接口可在使用存储器最少情况下实现其潜能。速度关键的控制信号采用流水作业,处理速度极快。所选RAM的速度必须小于RAM的读写周期。在系统工作时,程序要放在Flash中,在系统上电时由启动代码程序搬移到片外RAM中运行,因此选择ROM时也要考虑存储容量和速度。根据以上特点选择了一片12ns的IS61LV51216RAM组成存储系统的RAM,一片访问周期90nsAT49BV1604A-90TI(FlashMemory)作为程序存储空间。此外通过SPI总线扩展一个X5045(NOVRAM),NOVRAM可在断电后保存装定的航迹与任务数据。 3、模拟信号的接收 垂直陀螺、角速率陀螺、电源电压等输出的模拟信号首先经过信号调理模块输入,片上自带的8路10位ADC已经完全满足了系统通道数目和精度的要求,不再扩展其他ADC器件。所采集的飞机姿态、电网电压等信号,是飞行控制系统对无人机工作状态进行控制和监控的基础,同时这些信号经过编码发往地面遥测设备,供操纵人员参考。
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