基于OMAP3525多媒體平臺(tái)的飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李文進(jìn)，高洪雨

(國(guó)家電網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東 泰安 271000)

電力系統(tǒng)高壓輸送電線路的巡檢，多采用人工方式，難以發(fā)現(xiàn)絕緣子等設(shè)備的老化現(xiàn)象，效率比較低。隨著航空技術(shù)尤其是綜合技術(shù)的發(fā)展，小型無人駕駛直升機(jī)的控制核心向高精度和小型化發(fā)展。傳統(tǒng)的遙控直升機(jī)自穩(wěn)定性不夠好，由于陀螺效應(yīng)與主槳下洗氣流的影響，直升機(jī)起飛時(shí)會(huì)向左或其他地方偏移，懸停時(shí)機(jī)身也會(huì)有較大的擺動(dòng)。這樣就會(huì)使拍攝到得視頻和圖片由于抖動(dòng)而不夠清晰。為了解決上述問題，筆者開發(fā)了基于雙核OMAP3525多媒體平臺(tái)的飛控系統(tǒng)，對(duì)絕緣子和導(dǎo)線等設(shè)備拍攝視頻或者圖片實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婊?，以便工作人員對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)通過整合高精度的GPS接收機(jī)和獨(dú)立環(huán)境的高速慣性導(dǎo)航傳感器，可精確可靠的控制飛機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的定點(diǎn)懸停，以及任意高度和空載狀態(tài)下的勻速巡航控制，為直升機(jī)提供了卓越的自動(dòng)穩(wěn)定懸停及飛行性能。本系統(tǒng)采用了德州儀器公司的開放式多媒體應(yīng)用平臺(tái)OMAP(open multimedia applications platform)體系結(jié)構(gòu)，其采用一種獨(dú)特的雙核結(jié)構(gòu)，把高性能低功耗的DSP核與控制性能強(qiáng)的ARM微處理器結(jié)合起來，成為一顆高度整合性SoC［1］。它是一種開放式的、可編程的基于DSP的體系結(jié)構(gòu)。由于OMAP先進(jìn)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，其芯片運(yùn)算處理能力強(qiáng)、功耗低，在無線傳輸及數(shù)據(jù)處理方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

1 OMAP3525的硬件結(jié)構(gòu)

OMAP硬件平臺(tái)采用雙核技術(shù)提高操作系統(tǒng)的效率和優(yōu)化代碼的執(zhí)行。OMAP3525是一個(gè)高度集成的硬件和軟件應(yīng)用平臺(tái)，它是為實(shí)現(xiàn)下一代嵌入式設(shè)備的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它具有獨(dú)特的雙核結(jié)構(gòu)，一個(gè)具有彈性架構(gòu)的600 MHz Cortex-A8內(nèi)核的RISC處理器和一個(gè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能的高性能、低功耗的C64x+DSP 核［2］。

1.1 Cortex-A8 內(nèi)核

針對(duì)強(qiáng)調(diào)功耗的應(yīng)用，Cortex-A8采用了一個(gè)優(yōu)化的裝載/存儲(chǔ)流水線，順序執(zhí)行，同步執(zhí)行的超標(biāo)量處理器內(nèi)核，其擁有13級(jí)主流水線，10級(jí)NEON多媒體流水線，可以提供2 DMIPS/MHZ的性能;優(yōu)化的L1緩存，可以提高訪存儲(chǔ)問速度，并降低功耗;專用的L2緩存，可以把緩存當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)的RAM進(jìn)行處理，而緩存大小可以靈活配置，緩存的訪問延遲也可以編程控制。在技術(shù)方面，使用了帶來更高性能、功耗效率和代碼密度的Thumb?－2技術(shù)［3］。首次采用了強(qiáng)大的NEONTM信號(hào)處理擴(kuò)展集，包括Jazelle?－RCT Java加速技術(shù)，對(duì)實(shí)時(shí)(JIT)和動(dòng)態(tài)調(diào)適編譯(DAC)提供最優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)低功耗管理的IEM功能，同時(shí)減少內(nèi)存占用空間高達(dá)3倍。

1.2 C64x+DSP 內(nèi)核

C64x+DSP內(nèi)核的主要特點(diǎn)是:有1個(gè)64×8位緩存隊(duì)列，2個(gè)17×17位乘法器，1個(gè)40位ALU，1個(gè)16位ALU，1個(gè)40位桶形移位器和4個(gè)40位加法器［4］。另外還有12條獨(dú)立的總線，即:3條數(shù)據(jù)讀總線，2條數(shù)據(jù)寫總線，5條數(shù)據(jù)地址總線，1條程序讀取總線和1條程序地址總線，以及用戶可以配置的IDLE域?；贑64x+核開發(fā)的DSP芯片，所有部件都以交換網(wǎng)絡(luò)(SCR)為核心連接起來。SCR上的部件分為2類:Master和Slave。Master包括 Core、EDMA 以及串行高速 IO(sRIO)，EMAC等外設(shè)。Master可以直接通過SCR發(fā)起到Slave的數(shù)據(jù)傳輸。Slave包括每一個(gè)Core的內(nèi)存，DDR2外存以及其他不能直接發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐庠O(shè)，Slave之間的數(shù)據(jù)傳輸，需要通過DMA協(xié)助完成。Serial RapidIO(SRIO)與解串器(SERDES)接口支持高效互連通信，可實(shí)現(xiàn)高效的與 Cortex-A8內(nèi)核間的通信［5］。OMAP3525具有豐富的片內(nèi) /外資源、較低的功耗、良好的抗干擾能力和工作穩(wěn)定性，以及高速的數(shù)據(jù)處理能力，所以非常適合無人機(jī)的飛控系統(tǒng)。

2 無人機(jī)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 飛控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)管理。Cortex-A8內(nèi)核是控制核心，計(jì)算飛機(jī)姿態(tài)，在自駕模式下發(fā)送控制命令，控制飛行。其主要職能為:信息采集，對(duì)鎖尾陀螺儀、加速度計(jì)等參數(shù)的采集處理［6］;舵機(jī)控制，負(fù)責(zé)控制4個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)以及反饋信息;串口通信，負(fù)責(zé)與全球定位系統(tǒng)(GPS)、航姿儀通訊。DSP內(nèi)核負(fù)責(zé)控制云臺(tái)，通過高清攝像頭拍攝到的視頻和圖片可儲(chǔ)存在8GB的SD卡中，也可通過無線模塊實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婊?，以便工作人員對(duì)設(shè)備情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。地面基站通過無線通訊可以對(duì)無人機(jī)飛行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，在目標(biāo)識(shí)別的實(shí)現(xiàn)及緊急情況下切換至手動(dòng)控制。GPS模塊用于精確控制直升機(jī)的飛行路線，由指南針和GPS天線集成，安裝在遠(yuǎn)離干擾的直升機(jī)尾端。主要用于接收GPS信號(hào)，測(cè)量地球磁場(chǎng)，并將數(shù)據(jù)傳送至Cortex-A8處理器。圖1所示為飛控系統(tǒng)圖。

圖1 飛控系統(tǒng)圖

2.2 視頻采集模塊

無線視頻采集模塊由采集模塊和接收端2部分組成，通過無線數(shù)據(jù)通道聯(lián)系［7］。采集模塊以C64x+DSP為控制核心，包括SAA7111視頻解碼電路、CPLD邏輯控制電路和數(shù)據(jù)發(fā)射模塊Rnf2401;接收端以地面站的PC機(jī)為控制核心，包括數(shù)據(jù)接收模塊、USB數(shù)據(jù)傳輸模塊以及圖像分析與處理軟件。視頻采集系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 無線視頻采集模塊

DSP上電以后先進(jìn)行初始化，然后通過軟件模擬I2C總線的時(shí)序設(shè)置SAA7111的工作模式，接到采集命令后，DSP發(fā)采樣的指令由CPLD進(jìn)行控制。由于DSP和SAA7111共用幀緩沖存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)總線，所以在采樣過程中，DSP的數(shù)據(jù)線必須保持在高阻狀態(tài)。為此CPLD在接到啟動(dòng)采樣信號(hào)后發(fā)送低電平HOLD信號(hào)，使DSP工作在HOLD模式。在收到DSP返回的HOLDA確認(rèn)信號(hào)后，CPLD打開SAA7111并對(duì)其輸出的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行寫控制。當(dāng)一幀的數(shù)據(jù)寫入幀緩存以后，CPLD關(guān)閉SAA7111的視頻輸出并發(fā)送中斷信號(hào)給 DSP，由DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮處理。最后DSP將壓縮后的數(shù)據(jù)通過nRF2401以無線通信的方式發(fā)送給PC機(jī)，進(jìn)行后續(xù)處理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

OMAP是一個(gè)高度集成的硬件和軟件應(yīng)用平臺(tái)，它支持多種的嵌入式操作系統(tǒng)、高級(jí)語言編程以及豐富的DSP算法［8］。本系統(tǒng)在Cortex-A8(RISC處理器)中采用Windows CE操作系統(tǒng)，在C64x+DSP處理器采用DSP/BIOSII。在OMAP上開發(fā)程序通常分為2部分，一部分是使用Embedded Visual C開發(fā)ARM端程序，另一部分是使用TI CCS開發(fā)DSP端程序［9］。前者主要是為了使設(shè)計(jì)的算法與xDAIS(eXpressDSP TM算法標(biāo)準(zhǔn))兼容，在ARM端程序中調(diào)用一些DSP/BIOS橋的API實(shí)現(xiàn)在DSP發(fā)出的數(shù)據(jù)流進(jìn)行緩沖、暫停、繼續(xù)、刪除DSP任務(wù)并進(jìn)行資源狀態(tài)查詢等。而具體的功能實(shí)現(xiàn)則是在DSP端完成。圖3顯示了Cortex-A8應(yīng)用程序與C64x+DSP節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系。

圖3 Cortex-A8應(yīng)用程序與DSP節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系

3.1 處理器的交互通信

Cortex-A8和C64x+DSP之間通過一個(gè)郵箱中斷機(jī)制進(jìn)行通信，該機(jī)制在處理器之間提供了非常靈活的軟件協(xié)議［10］。該郵箱位于系統(tǒng)的共享存儲(chǔ)空間中(Cortex-A8的位地址為0x FFFC:F000，C64x+DSP的字地址為0x0F800)。系統(tǒng)共有4套郵箱寄存器，2套用于Cortex-A8向C64x+DSP發(fā)送信息和產(chǎn)生中斷，另外2套用于C64x+DSP向Cortex-A8發(fā)送信息和產(chǎn)生中斷。每套郵箱寄存器包含2個(gè)16bit寄存器和1個(gè)1bit標(biāo)志寄存器，其中的1個(gè)16bit寄存器由產(chǎn)生中斷的處理器用來傳遞1個(gè)數(shù)據(jù)字到被中斷的處理器，另外1個(gè)16bit寄存器則用于傳遞命令字。

2個(gè)處理器間的通信模式為:當(dāng)一個(gè)處理器將合適的命令寫到寄存器后，該寄存器會(huì)產(chǎn)生中斷，對(duì)另外一個(gè)處理器的標(biāo)志寄存器進(jìn)行正確設(shè)置［11］。被中斷的處理器通過讀標(biāo)志寄存器響應(yīng)中斷并清空標(biāo)志寄存器。每套郵箱寄存器中，還有一個(gè)附加的數(shù)據(jù)字寄存器，可以在每次中斷時(shí)在處理器間傳送兩個(gè)字的數(shù)據(jù)，而不光只有命令字。

DSP/BIOS橋用于非對(duì)稱的，由一個(gè)通用的處理器(GPP)和一個(gè)或多個(gè)DSP組成的多處理器環(huán)境。DSP/BIOS橋作為GGP和DSP的軟件組合，把2個(gè)操作系統(tǒng)連接在一起［12］。這種連接能夠使GPP端的客戶與C64x+DSP上的任務(wù)交換信息和數(shù)據(jù)。連接分為2種類型的子連接，消息子連接和數(shù)據(jù)流子連接。每種子連接都按順序傳遞消息，哪個(gè)消息先到消息鏈，哪個(gè)消息就先被傳遞;同樣哪個(gè)數(shù)據(jù)流先到數(shù)據(jù)流鏈，哪個(gè)數(shù)據(jù)流就先被傳遞。每個(gè)子連接都獨(dú)立地進(jìn)行操作，例如:GPP先發(fā)送數(shù)據(jù)流，然后發(fā)送消息，如果消息有高優(yōu)先級(jí)，那么消息比數(shù)據(jù)流先到C64x+DSP。

3.2 軟件流程

圖4所示為系統(tǒng)軟件總體流程，主要分為4個(gè)部分:①初始化。系統(tǒng)軟、硬件的初始化和參數(shù)預(yù)置;② 遙控遙測(cè)。接收、執(zhí)行地面監(jiān)測(cè)指令，同時(shí)將飛行參數(shù)和遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送回地面監(jiān)測(cè)站;③自主導(dǎo)航。接收、處理傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行控制解算，自主完成導(dǎo)航任務(wù);④定時(shí)與中斷處理。完成已規(guī)劃好的相關(guān)任務(wù)。

圖4 系統(tǒng)軟件總體流程

4 結(jié)束語

以O(shè)MAP3525為核心處理器的無人機(jī)飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過整合高精度的GPS接收機(jī)和獨(dú)立環(huán)境的高速慣性導(dǎo)航傳感器可靠地控制飛機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)精確地定點(diǎn)懸停，從而拍攝視頻或者圖片來監(jiān)控輸配電線路的各種電氣設(shè)備的工作狀態(tài)，使監(jiān)控的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性得到極大地提高。

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(責(zé)任編輯楊繼森)