小型无人机机载数据采集系统的设计

维普资讯 http://www.cqvip.com 小型无人机机载数据采集系统的设计　李厚春，张小林　（西北工业大学第３６５研究所，陕西西安７１００６５）　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｄａｔａ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｓｍａｌｌ　ＵＡＶ　ＬＩ　ＨＯＵ—ｃｈｕｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｌｉｎ　（Ｔｈｅ　３６５　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００６５，Ｃｈｉｎａ）　摘要：针对小型无人机对航电系统重量、体积、　功耗的严格要求，设计了一种小型模拟数据采集系　统，通过双口ＲＡＭ与机载计算机主板进行数据通　信，满足了飞控系统对传感器模拟量数据高可靠性　和强实时性的要求。　关键词：双口ＲＡＭ；机载计算机；飞控　中图分类号：ＴＰ２７３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００ｌ一２２５７（２００７）ｌ２—００５ｌ一０３　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｍａｌｌ　ａｎａｌｏｇ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｆｏｒ　ＵＡＶ　ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｅｘｉｇｅｎｔ　ｌｉｇｈｔ　ｗｅｉｇｈｔ　ａｎｄ　ｓｍａｌｌ　ｂｕｌｋ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ｄｕａｌ—ｐｏｒｔ　ＲＡＭ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｍｂｅｄ—　ｄｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍｅｅｔｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆｌｙ—ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ　ｄｅｍａｎｄ　ｏｆ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｒｅａｌ　ｔｉｍｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｕａｌ—ｐｏｒｔ　ＲＡＭ；ａｉｒｂｏｒｎｅ　ｃｏｍｐｕｔ—　ｅｒ；ｆｌｙ—ｃｏｎｔｒｏｌ　０　引言　高速、可靠的数据采集对无人机的安全飞行至　关重要，在以前的小型无人机系统中，没有设计单独　的数据采集系统，模拟数据的采集都是直接由机载　飞控计算机驱动Ａ／Ｄ转换芯片完成的，这种数据采　集方法占用了机载飞控计算机ＣＰＵ的资源，降低　了机载计算机执行其它任务的效率。为满足小型无　人机执行复杂任务的要求，设计了一种基于高性能　单片机可靠性高、实时性强、成本低廉且容易实现的　机载数据采集系统。　收稿日期：２００７—０６—２２　《机械与电子））２００７（１２）　１　系统构成　数据采集系统采用单片机作为核心ＣＰＵ，使用　８通道的多路转换开关来扩展模拟量输入通道，用　来对机载传感器的模拟信号进行采集。无人机系统　对传感器数据的实时性要求很高，在采集完相应的　数据后，必须将其快速、可靠传送给机载计算机的主　控模块，供飞行控制使用。为满足数据传输的实时　性要求，在该数据采集系统与机载飞控计算机主控　模块之间，使用双端口ＲＡＭ传递数据。由于各机　载传感器输出的模拟信号的电平不一致，必须在Ａ／　Ｄ器件采集前使用信号调理电路来完成模拟信号的　电平转换、滤波等，以满足ＡＤＣ转换输入的要求。　该系统开发阶段，可利用单片机的ＵＡＲＴ口配置的　标准串行口，将采集到的数据送检测计算机，对各传　感器的数据进行检测。系统总体结构如图ｌ所示。　Ｉ模信拟呈量　理脊　　蓓号电调路　多　开关路　术Ｕ．　呆ｌｒ　－１　机　ＩＲＡＭ　Ｃ　ＩＩ　　ｌ博ＰＵ　ｌ　图ｉ数据采集系统结构　２　系统硬件设计　２．１　器件选择　系统中最核心的器件是单片机和双端口　ＲＡＭ，根据系统的要求，选择如下所述。　２．１．１单片机的选择　数据采集系统的核心模块即单片机选用ＣＹＧ—　ＮＡＬ公司的Ｃ８ｏ５１Ｆ０２０，它具有如下的特点：　ａ．具有与ＭＣＳ５１内核及指令集完全兼容的微　控制器，指令处理能力比ＭＣＳ５ｌ大大提高，最大系　统时钟频率２５　ＭＨｚ，执行速度可达２５　ＭＩＰＳ。　ｂ．片内集成了９通道的ｌ２位Ａ／Ｄ转换器，采　样速率达到１００　ｋｓｐｓ，不用外加ＡＤＣ芯片就能满　足需要。　维普资讯 http://www.cqvip.com

ｃ．具有丰富的外设接口，包括２个增强型　ＵＡＲＴ串口，１个Ｉ。Ｃ总线接口以及１个ＳＰＩ接　口，可以用来与对实时性要求不高的设备或者地面　测试设备进行数据交换。　ｄ．片内存储空间大，具有６４　ｋＢ的Ｆｌａｓｈ存储　器，４　ｋＢ内部数据ＲＡＭ以及外部６４　ｋＢ数据存储　保存。这里需要注意的是：当多路模拟开关从一个　通道切换到另一个通道时，要发生瞬变现象，使输　出端产生短暂的尖峰电压，为了消除这种现象引入　的误差，可用软件延时的办法进行采样嘲。　数据采集通道如图２所示。　Ｃ８０５　ＩＦ０２０　器接口，Ｆｌａｓｈ存储器可用于非易失性数据存储。　ｅ．调试方便，该芯片支持／ＴＡＧ调试功能。　ｆ．工业级工作温度范围（一４５－－－＋８５℃），满足　系统温度的要求。　２．１．２双端口ＲＡＭ的选择　选用ＩＤＴ公司生产的ＩＤＴ７０２５双端口ＲＡＭ　器件，在数据采集系统和机载计算机的主控模块之　间进行数据传输，满足机载航电系统多传感器数据　的实时性和可靠性的要求。由于ＩＤＴ７０２５具有２　个的数据交换端口，其均有相应的数据总线、地　址总线和控制总线，从而允许２个端口在内部仲裁　逻辑控制下，、异步地对ＲＡＭ中的任何存储单　元进行读写操作，用它在数据采集核心ＣＰＵ和机　载计算机的ＣＰＵ之问传递数据，具有存取速度快、　功耗低、可完全异步操作和接口电路简单等优点［１］。　２．２模拟量数据采集的实现　Ｃ８０５１Ｆ０２０片内的ＡＤＣ子系统中有一个９通　道的可配置模拟多路开关，其中８路是可以供外部　数据采集使用的，第９个通道被用来做片内温度采　集用。在无人机系统中需要采集的模拟信号很多，　但对它们的实时性的要求是不一样的，根据系统数　据周期为８０　ｍｓ的要求，将俯仰角、滚转角和高度３　个参与控制的模拟量信号直接分配在单片机的通道　１，２，３上，其余的４，５，６，７，８通道使用８选１多路　模拟开关ＣＤ４０５１扩展为４Ｏ路采集通道，４０５１负责　轮流切换其它被测通道，以达到分时控制和巡回检　测的目的［　。采用单片机内部的定时器０设置１Ｏ　ｍｓ定时，当１０　ｍｓ定时一到，单片机进行一次从通　道１到通道８的数据采集，需要说明的是：这样相当　于１，２，３通道是每１０　ｍｓ采集１次，４，５，６，７，８通　道上的模拟量就是８０　ｍｓ采集１次，这样既满足了　控制系统对姿态角和高度数据的１０　ｍｓ的要求，又　满足了系统对其它模拟量检测的实时性要求。　可以通过片内的控制寄存器来判断转换是否结　束。转换结束后，采样结果自动保存在ＡＤＣＯＨ的　低４位和ＡＤＣＯＬ中，读取这１２位转换数据并将其　・５２・　（ＡＤＣ）　ＡＩＮ６　ＡＩＮ７　ＡＩＮ８　Ｌ．．——＿Ｊ＼　双端口　广　１＿　————－１，　ＲＡＭ　一　ＡＩＮ１　葡［二｝一　ＡＩＮ２　————　ＣＤ４０５Ｉ卜一　ＡＩＮ３　共４０路模拟量　Ｉ￡　Ｑ５　Ｉ　ＣＤ４０５１　——一　ＡＩＮ５　　ＡＩＮ４　图２模拟数据采集通道示意　２．３单片机与机载计算机之间数据传输的实现　数据采集系统采集完数据后需要通过一种可靠　的方式，将其送到机载计算机的ＣＰＵ中，供飞机控　制使用，为满足实时性要求，采集系统的ＣＰＵ和机　载计算机的ＣＰＵ之间的数据传输是通过双口　ＲＡＭ实现的。　２．３．１单片机与双口ＲＡＭ数据传输接口　由于Ｃ８０５ＩＦ０２０单片机的通用Ｉ／Ｏ口只有８　位宽度，双口ＲＡＭ的数据总线宽度为１６位，需要　分为低８位和高８位，才能用单片机的Ｐ７口进行数　据读写操作，其中双口ＲＡＭ的数据线低８位直接　与单片机的Ｐ７口连接，高８位通过７４ＬＨ３７３锁存　器与Ｐ７口相连，双口ＲＡＭ的地址总线宽度为１３　位，使用单片机的Ｐ６口和Ｐ５口的低５位作地址总　线，实现二者之间的连接；单片机的Ｐ４口用来对双　口ＲＡＭ左侧实现读写和锁存控制。读写数据分２　步进行，先控制３７３工作，．　用数据口Ｐ７向Ｐ５，Ｐ６　指定的地址里写入高８位数据，该数据同时被３７３　锁存，然后停止３７３工作，再向Ｐ７口写入低８位数　据，待单片机的Ｐ４口向ＲＡＭ发出写入低字节数据　的指令后，１６位的数据就被写入了双口ＲＡＭ中。　二者之间的接口关系如图３所示。　地址线　锁存器　图３单片机与双口ＲＡＭ的接口　《机械与电子）＞２００７（１２）　维普资讯 http://www.cqvip.com

２．３．２　机载计算机主控模块与双口ＲＡＭ数据传　输接口　机载计算机的主控模块采用基于ＰＯｗＥＲ　ＰＣ　４０５Ｅ的嵌入式主板，ＰＯＷＥＲ　ＰＣ　４０５Ｅ的数据总线　和地址总线对用户是开放的，其中数据总线采用１６　位的形式，地址总线的低１３位用来与双口ＲＡＭ的　右侧相连，由于ＩＤＴ７０２５与ＰＯＷＥＲ　ＰＣ４０５Ｅ的电　平标准不兼容，因此，机载计算机的主控模块ＣＰＵ　的一些数据线、读写控制信号线（Ｗ／Ｒ、ＷＥ、ＲＤ等）　不能直接与ＩＤＴ７０２５相连。二者之间的地址译码　选择由ＬＡＴＴＩＣＥ公司的２０３２ＶＥ型的ＣＰＬＤ完　成，由于它兼容５　Ｖ和３．３　Ｖ电平，在进行逻辑控制　和地址译码的同时还能起到了电平转换的作用［４］。　因此，设计时将这些信号作为ＣＰＬＤ的输入信号，　ＣＰＬＤ内部经过必要的逻辑处理后，由ＣＰＬＤ的输　出信号去控制双口ＲＡＭ的工作。　考虑到ＰＯＷＥＲＰＣ输出的电平标准与ＴＴＬ不　兼容，故需要在二者之间使用电平转换芯片来完成，　选用７４ＬＶ６４２４５芯片完成。　主控模块与双口ＲＡＭ接口关系如图４所示。　ＩＤＴ７０２５　０ＥＲ　ＰＰＣ４０５Ｅ　ＣＥＲ　Ｒ／Ｗ　ｌ　ＣＰＬＤ　ｌ／Ｌ———　地址选通　ＩＮＴ　——　————　诨辑控制　地址译码１　——　读写控制　片选信号　中断控制　Ａ０Ｒ～Ａｌ２Ｒ　／Ｌ————一　等信号　————　Ａ０～Ａ１３　———＿１广————］／　＋５　Ｖ　＋３．３　Ｖ　Ｄ０Ｒ～Ｄ１５Ｒ　＼广———　——　７４ＬＶ６４２４５　电平转换　ｒ————］／　＝Ｊ＿　Ｄ０～Ｄ１５　图４机载计算机主控模块与双口ＲＡＭ的接口　３　系统软件设计　系统软件主要有Ｃ８０５１Ｆ０２０初始化程序、Ａ／Ｄ　转换启动、数字滤波和数据的存储等。　初始化程序主要完成单片机的工作模式选择、　硬件端口设置、中断系统设置等。系统主程序流程　如下：开始一初始化一Ａ／Ｄ检测一启动Ａ／Ｄ转换　一数字滤波一可用否一数据存储。　为保证模拟量数据采集的可靠性，对采集后的　数据需要使用简单的数字滤波，以保证采集的数据　的可靠性和可用性，软件还需要判断本次采集数据　是否有效，只有有效的数据才被存储以供后续的飞　行控制之用。　４　系统设计要点　如何解决双口ＲＡＭ左右两端的读写冲突问题　《机械与电子））２００７（１２）　是本设计的要点。系统在工作时会出现这样的一种　情况：如果双端口ＲＡＭ的左右２个ＣＰＵ同时访问　同一个存储单元时，将会产生读写错误。为避免上　述冲突的发生，双口ＲＡＭ　ＩＤＴ７０２５提供２种仲裁　方式，一种是硬件ＢＵＳＹ信号仲裁方式；一种是软　件信号仲裁方式。本系统设计时采用了方便快捷的　硬件ＢＵＳＹ信号仲裁方式。双口ＲＡＭ右端ＢＵＳＹ　信号接人单片机Ｃ８０５１Ｆ０２０的Ｐ４．１脚；左端　ＢＵＳＹＬ信号直接接人机载计算机的一路数字Ｉ／Ｏ　引脚，左右两端的ＣＰＵ分别判断对应口的状态即　可确定能否读写数据。判断依据是：当双口ＲＡＭ　的ＢＵＳＹ为高电平时，可正常读写，当ＢＵＳＹ为低　电平时，禁止读写，当出现左右端口对同一地址单　元存取时，有一个端口ＢＵＳＹ为低电平，禁止该端　口数据的存取［５］。同时，在软件设计中，需要设计一　定的访问规则来避免两端处理器对ＩＤＴ　７０２５读写　的冲突。　５　结束语　系统通过的双口ＲＡＭ与飞控计算机的ＣＰＵ　之间交换数据，采用硬件仲裁方式防止访问数据冲　突。该设计增强了飞控系统采集模拟量数据的实时　性，减轻了飞控计算机ＣＰＵ的负担，提高了飞控系　统整体并行处理能力。该数据采集系统经过简单改　进后，还可以应用于其它的工业控制场合，有较高的　实用价值。　参考文献：　［１］韩钧．双口ＲＡＭ在ＤＳＰ与单片机数据通信中的应　用［Ｊ］．电力系统通信，２００６，２７（８）：５６—５８．　［２］沈兰荪．数据采集技术［Ｍ］．北京：中国科学技术出版　社，１９９０．　Ｅ３Ｊ张贵清，等．基于ＦＰＧＡ的多路同步实时数据采集方　案设计与实现［Ｊ］．测控技术，２００５，２４（１２）：２６—２９．　Ｅ４３黄琥，等．基于ＤＳＰ和ＵＳＢ２．Ｏ接口构成的高速数　据采集系统［Ｊ］．机械与电子，２００６，（６）：３６－－３８．　Ｅ５３李小青．双口ＲＡＭ在多ＣＰＵ计算机测控系统中的应　用［Ｊ］．微计算机信息，１９９９，１５（１）：５４—５６．　作者简介：李厚春　（１９７６一），男，湖北广水人，工程师，研究　方向为小型无人机测控｝张小林　（１９６４～），男，陕西西安人，研究　员，研究方向为无人机测控、系统控制理论等。　・　５３　・