基于DSP的無人機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

周 濤，季明麗，李賽輝

（1. 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，南京 211170；2. 西北工業(yè)大學(xué) 第365研究所，西安 710072）

基于DSP的無人機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

周 濤1，季明麗1，李賽輝2

（1. 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，南京 211170；2. 西北工業(yè)大學(xué) 第365研究所，西安 710072）

在飛行控制過程中需要采用可靠性好、速度快、以及精度高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來實現(xiàn)對無人機(jī)的實時控制。一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)很難滿足以上要求。本文著重闡述了基于TMS320F2812的某型無人機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件和硬件的實現(xiàn)過程。其中包括DSP最小系統(tǒng)設(shè)計、各種信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、與飛控機(jī)CAN通信電路的設(shè)計等。分析了該系統(tǒng)在實現(xiàn)過程中需要解決的一些問題其中包括系統(tǒng)的體積以及抗干擾性等。

DSP;數(shù)據(jù)采集;飛行控制；無人機(jī)

0 引言

在無人機(jī)設(shè)計中，由于受到體積和重量等的限制，所有的設(shè)備必須滿足體積小、重量輕、可靠性高以及電磁兼容性好等要求。作為無人機(jī)的前端處理部件，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能直接關(guān)系到無人機(jī)能否高質(zhì)量完成飛行任務(wù)，而其可靠性則會影響到無人機(jī)的生存能力，一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)很難滿足以上要求[1,2]。因此，本文為某型無人機(jī)設(shè)計了以DSP為核心控制器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用來檢測無人機(jī)舵機(jī)系統(tǒng)中的舵面偏轉(zhuǎn)角、舵機(jī)驅(qū)動器的母線電流以及舵機(jī)周圍環(huán)境溫度參數(shù)等。

1 系統(tǒng)概述

從無人機(jī)傳感器過來的模擬輸入信號通過含有隔離、濾波、放大以及各種保護(hù)功能的信號調(diào)理單元后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸入端，由飛控機(jī)發(fā)送控制命令字通知DSP選擇某個模擬通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換,然后由DSP根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換單元的特點開啟模數(shù)轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，DSP讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并對其進(jìn)行數(shù)字平滑濾波，最后再將數(shù)據(jù)通過CAN總線上傳給飛控機(jī)。為了保障在寬范圍的溫度下也能正常工作，DSP要不斷檢測環(huán)境溫度，當(dāng)溫度不在工作范圍時飛控機(jī)作出相應(yīng)的處理。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路包括DSP主控電路、串口通信電路、A/D轉(zhuǎn)換電路以及信號調(diào)理電路。

2.1 DSP的選擇與電源的配置

本文選用美國德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320F2812芯片作為主控單元。它具有以下顯著優(yōu)點：

1）主頻150MHz 32位內(nèi)核,運(yùn)算速度很好地滿足了新一代飛控機(jī)對數(shù)據(jù)處理速度的要求；

2）片上集成256 K 字節(jié)的閃存，方便自啟動，無需外部擴(kuò)展，從而大大減小了系統(tǒng)的尺寸；

3）內(nèi)帶UART 以及增強(qiáng)的CAN 總線接口，方便與不同上位機(jī)協(xié)議通信的硬件設(shè)計，本系統(tǒng)將采集好的數(shù)據(jù)通過CAN上傳給飛控機(jī)；

4）內(nèi)含豐富的中斷源，能夠及時處理各種突發(fā)事件大大提高系統(tǒng)的可靠性同時也便于以后系統(tǒng)的升級[3]。

DSP的電源設(shè)計是DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中一個重要的組成部分。由于DSP在系統(tǒng)中要承擔(dān)大量的實時數(shù)據(jù)計算、在其CPU內(nèi)部，部件的頻繁開關(guān)轉(zhuǎn)換會使系統(tǒng)功耗大大增加，所以沒有一個良好的供電系統(tǒng)很難保證系統(tǒng)的可靠，穩(wěn)定。本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的雙路低壓差電源穩(wěn)壓器TPS767D318，它一路輸出3.3V供I/O電源，另一路輸出1.8V供內(nèi)核電源，TPS767D318是一款專為DSP運(yùn)用系統(tǒng)而設(shè)計的電源穩(wěn)壓器，它具有效率高，每個穩(wěn)壓端輸出電流范圍為0mA－1A，響應(yīng)速度快等特點。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換單元

采用TI公司生產(chǎn)的ADG426多路選擇器和AD976A模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片組成16路A/D轉(zhuǎn)換單元。ADG426切換速度快且選擇的輸入端數(shù)量可達(dá)16路，可以完成模擬輸入量多且轉(zhuǎn)換速度要求快的無人機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。16位的AD976A芯片，片內(nèi)置采樣保持器，最大采樣頻率200KHz，輸入電壓范圍-10至+10伏，最大功耗100mW，能夠分辨的電壓為0.305mV這些特性滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對速度和精度的要求。

主控DSP TMS320F2812的外部數(shù)據(jù)線XD0、XD1、XD2、XD3與多路選擇器ADG426的地址線A0、A1、A2、A3相連來完成輸入通道的選擇。DSP的 信號端與ADG426的 信號端相連，兩者要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。訪問Zone0和Zone1空間都會使得外部片選信號 變低，此信號與外部地址XA13、XA14組合產(chǎn)生Zone1空間片選信號并將此信號作為AD976A的片選信號 。DSP的外部數(shù)據(jù)線XD0-XD15通過電平轉(zhuǎn)換與AD976A的數(shù)據(jù)線D0-D15相連。AD976A開始采樣是在R/ 引腳的下降沿進(jìn)行，DSP的R/ 在平常是高電平，一旦往外寫數(shù)據(jù)時會產(chǎn)生一個下降沿此信號通過電平轉(zhuǎn)換后與AD976A的R/ 端相連。GPIOA配置為通用的輸入口，GPIOAP0與AD976A的 端相連。

2.3 信號調(diào)理電路的設(shè)計

信號調(diào)理電路是無人機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要組成部分。本文主要有無人機(jī)系統(tǒng)的舵機(jī)電流檢測電路、舵面位置檢測電路的設(shè)計。

由于無人機(jī)對尺寸的要求非常嚴(yán)格，霍爾電流傳感器體積大不適合作為舵機(jī)母線電流的檢測元件。本系統(tǒng)采用VISHAY 0.01/5W電阻串接在功率驅(qū)動回路中，將電流信號轉(zhuǎn)為電壓信號。無人機(jī)系統(tǒng)由數(shù)字電路、模擬電路和功率電路構(gòu)成，包含有強(qiáng)電、弱電電路元件，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，這就給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性設(shè)計提出非常高的要求。為了防止無人機(jī)中的功率放大部分對信號處理部分的干擾，反饋的電流信號在進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換芯片前必須進(jìn)行隔離。

圖2 電流檢測電路圖

HCPL-7510 是 Agilent公司推出的適合檢測電動機(jī)繞組電流線性隔離檢測芯片。電流檢測電路如圖2所示。

舵面偏轉(zhuǎn)角是由精密導(dǎo)電塑料電位計來檢測的，此傳感器特點是偏轉(zhuǎn)角度與電位計上的電壓成正比。舵機(jī)電位器使用5V基準(zhǔn)電壓供電，輸出的角位移信號是一個電壓信號。使用一個儀表放大器對位置電壓信號進(jìn)行調(diào)整，將單邊的信號轉(zhuǎn)為±5V電壓信號。舵偏角范圍為60度，儀表放大器的放大倍數(shù)選為12。經(jīng)過調(diào)理后的位置信號輸入A/D轉(zhuǎn)換單元。檢測電路如圖3所示。

圖3 舵面偏角檢測電路

2.4 CAN通信電路

受無人機(jī)體積、重量的限制，眾多的機(jī)載電子設(shè)備同時一起工作，特別是電纜周圍強(qiáng)功率的無線電發(fā)射機(jī)和接收機(jī)、開關(guān)電源以及大功率器件等都成為通信電纜的干擾源，它們可不同程度地進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，嚴(yán)重時還會危及無人機(jī)安全。本課題采用具有接口簡單、傳輸速率高、實時性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點的CAN總線來和飛控機(jī)通信。由于無人機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸距離短，CAN總線數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)到1Mbps，滿足實時性要求。

表1 實驗數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)選用高速C A N收發(fā)器模塊SN65HVD230，該芯片內(nèi)部集成了所有必需的DC-DC轉(zhuǎn)換、CAN隔離及CAN收/發(fā)器件。模塊的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN 總線的差分電平并且具有DC 2500V的隔離功能。該芯片符合ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)，因此，它可以和其他遵從ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)的CAN收發(fā)器產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.5 溫度檢測

無人機(jī)上的設(shè)備在使用中面臨非常嚴(yán)峻的溫度環(huán)境，一方面在地面調(diào)試時機(jī)艙內(nèi)可能有很高的溫度，另一方面在高空中可能要在極低的溫度下工作，這兩種極限情況對設(shè)備都是及為不利的。為了檢測工作狀態(tài)和內(nèi)部環(huán)境，在系統(tǒng)內(nèi)置一個很小的溫度傳感器ADT7301，該芯片可以在-40至150度之間工作，在常溫精度可以在1度以內(nèi)，供電3.3V。DSP通過SPI接口和ADT7301相連，DSP設(shè)置為主模式。數(shù)據(jù)在時鐘下降沿送出，溫度更新率為1秒，溫度轉(zhuǎn)換時間為800us，讀取不影響轉(zhuǎn)換。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件由主程序和中斷程序組成。包括以下幾部分：主程序初始化、A/D轉(zhuǎn)換處理、數(shù)字濾波處理、溫度傳感器數(shù)據(jù)的讀取以及CAN通信。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作過程如下：系統(tǒng)初始化后開始自檢測包括檢測A/D采集故障，數(shù)字指令接收超時等。接下來的主程序是個循環(huán)體，它每秒鐘讀取一次溫度值，當(dāng)讀到的溫度值不在正常范圍時，DSP做相應(yīng)的處理[4]。

當(dāng)數(shù)據(jù)從飛控機(jī)傳來后DSP 響應(yīng)中斷程序，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時將結(jié)果寫入ADG426的通道選擇端并啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD976A。在AD轉(zhuǎn)換過程中AD976A的 端保持低電平轉(zhuǎn)換結(jié)束后變成高電平。DSP通過查詢此端口來判斷模數(shù)轉(zhuǎn)換是否完成。當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢，TMS320F2812讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并進(jìn)行平滑濾波處理，同時將最后結(jié)果上傳給飛控機(jī)。

4 實驗結(jié)果

系統(tǒng)采用周立功公司生產(chǎn)的USBCANII智能CAN接口卡作為PC機(jī)的轉(zhuǎn)接卡，計算機(jī)通過USB總線連接至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過CAN總線將溫度和參考電壓反饋給PC機(jī)。在DSP程序中，溫度作為CAN控制器5號郵箱的高字節(jié)數(shù)據(jù)而參考電壓作為低字節(jié)數(shù)據(jù)來發(fā)送。由表1可得系統(tǒng)的反饋溫度為23H即為35度。通過AD976A采集端口來獲取參考電壓的反饋量，端口的輸入電壓范圍是-5V-5V。由表1可得參考電壓的反饋值為7FFFF即524287，對應(yīng)的電壓為 V。實驗表明:整個系統(tǒng)簡單可靠，運(yùn)行效果良好，其性能滿足某型無人機(jī)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求[5]。

[1]劉迎春,何清華,賀繼林,等.DSP56F807在小型無人機(jī)舵機(jī)控制器中的應(yīng)用[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報,2007,17(3):34-37.

[2]李賽輝,雷金奎.基于 D S P的數(shù)字舵機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)測量與控制,2009,17(3):484-486．

[3]張衛(wèi)寧.TMS320C28x 系列DSP 的CPU與外設(shè)(上,下)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[4]蘇奎峰,呂強(qiáng),耿慶鋒,陳圣儉.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[5]胡林.高精度舵機(jī)控制器的研制[D].西北工業(yè)大學(xué),2005.

The design of UAV data acquisition system that based on DSP

ZHOU Tao1, JI Ming-li1, LI Sai-hui2

book=32,ebook=1

TP202

B

1009-0134(2010)11(下)-0055-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).21

2010-08-21

周濤（1961 -），男，安徽阜南人，副教授，碩士，研究方向為自動控制。