一、导言
无人机飞翔操控体系是一种具有高功用的自主导航、主动飞翔操控、使命办理的归纳体系，需求进行很多杂乱的数据处理与数学运算。飞控核算机是飞翔操控体系的中心子体系，跟着航空航 天技能的开展，飞控核算机向着高精度和小型化方向开展。高精度要求无人机的制导操控精度高、安稳性好，能够习惯杂乱的外界环境，致使操控算法比较杂乱，计 算速度快、精度高。小型化则对操控操控体系的分量和体积提出了更高的要求，要求核算机的功用越高越好，体积越小越好。功用目标和体积约束迫切需求研发新式 的飞控核算机。
二、飞控核算机与外围的接口规划要求
基 于ARM的飞翔操控核算机的规划，要害在于体系全体计划规划。接口规划是一个重要环节，其质量将直接影响体系的功用，信号输入输出时要考虑抗搅扰性，所设 计的全体计划要易于完结，对不同类型的无人机要有必定的习惯性。关于要求附近的类型，应该以修正操控软件为主，以少改动或不改动硬件规划为好，这些要求都 要在计划规划的各个环节中考虑。
首要要对无人机的飞控/导航使命和完结目标作需求剖析。依据飞翔要求和操控目标的杂乱程度，挑选操控周期；依照操控周期内操控核算量来确认核算的类型和运算速度，并结合外部单元确认接口计划，以及对抗搅扰要素的考虑，可确认全体的通讯协议和接口方法。
在 无人机的飞翔过程中，为了完结必定的飞翔使命，需求对其飞翔姿势进行操控，引导飞机依照必定的航线精确飞翔。为了进行姿势操控，就需求取得飞翔姿势的实时 参数信息以及遥控遥测参数。有了这些信息参数，经过核算机的操控算法核算，实时输出操控粮到执行机构，然后完结操控/导航意图，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仿信号，因而飞控核算机有必要具有多路模仿信号的高精度收集才能。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选用了RS-485、RS-232通讯协议，因而飞控核算机要具有多串口的通行才能。一起体系要求一系列的电平输出/输入接口、舵机 接
1、ARM的挑选
从核算精度、核算速度、操控功用要求、功耗及上述接口等方面考虑， 选用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具有先进体系总线(ASB)和先进外围总线(APB)两条首要总线，ASB接口由存储操控寄存器操控用于完结最高的功用。ARM7TDMI核经过ASB接口完结与片内32位存储器、外部总线接口(EBI)以及AMBA桥的衔接。AMBA桥用来驱动APB；APB用来拜访片内外围，优化体系功耗AT91M55800A经过彻底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优先级向量中止操控器和片内外围数据操控器则明显提高了器材的实时功用.
AT91M55800A首要硬件资源极端要害特性如下：
（1） 芯片供给了丰厚的片上资源。有片上A/D和D/A转化器，则体系无需外接A/D和D/A芯片，提高了体系的牢靠性，减少了体系的杂乱性。AT91M 55800A有片内看门狗电路，能够监测程序的意外失控。AT91M55800A芯片供给SPI总线，便于与扩展外设进行衔接。
（2）集成了ARM7TDMI ARM Thumb处理核——低功耗高功用的32位RISC(Reduced Instruction Set Computer)处理器。指令功用强，选用能供给0.9MIPS/MHz的三级流水线和冯·诺依曼结构；具有能发生64位成果的增强型乘法器；寻址才能 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，单时钟周期拜访。
（4）彻底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、可独自屏蔽的向量中止操控器(A%&&&&&%)—7个外部中止，包含一个高优先级、低推迟的中止请求。
（6）58个可编程I/O口线，由PIOA和PIOB操控。
（7）6通道16位守时器/计数器，实时时钟(RTC)，体系守时器，看门狗守时器。
（8）主从式SPI接口—8~16位可编程数据长度，4个外部从芯片挑选。
（9）选用片内主振荡器和PLL倍频的时钟发生器及片内32K振荡器的实实时钟—3MHz~33MHz频率规模。
（10）具有3个USART—每个USART有两个外围数据操控器(PDC)通道。
（11）8通道10位ADC和2通道10位DAC。
（12）先进电源办理操控器(APMC)—正常、等候、慢速、待机和掉电方法。
（13）针对一切数字引脚的JEEE 1149.1JTAG鸿沟扫描。
AT91M55800A上述功用和特色，使得杂乱的操控算法能够在规则的时刻内完结，且满意了精度的要求。
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，因而要进行存储器扩展。AT91M55800A的内核选用了冯·诺依曼结构。 存储器接口可在运用存储器最少情况下完结其潜能。速度要害的操控信号选用流水作业，处理速度极快。所选RAM的速度有必要小于RAM的读写周期。在体系作业 时，程序要放在Flash中，在体系上电时由发动代码程序搬移到片外RAM中运转，因而挑选ROM时也要考虑存储容量和速度。依据以上特色挑选了一片 12ns的IS61LV51216RAM组成存储体系的RAM，一片拜访周期90ns AT49BV1604A-90TI (Flash Memory)作为程序存储空间。此外经过SPI总线扩展一个X5045（NOVRAM），NOVRAM可在断电后保存装定的航迹与使命数据。
3、模仿信号的接纳
垂 直陀螺、角速率陀螺、电源电压等输出的模仿信号首要经过信号调度模块输入，片上自带的8路10位ADC现已彻底满意了体系通道数目和精度的要求，不再扩展 其他ADC器材。所收集的飞机姿势、电网电压等信号，是飞翔操控体系对无人机作业状况进行操控和监控的根底，一起这些信号经过编码发往地上遥测设备，供操作人员参阅。
4、串口通讯
机 上传感器的输出信号大都都是选用串行规范。遥控指令、遥测数据、GPS数据、高度信号、航向信号、航路装定、操控参数设置都选用RS-232或许RS- 485接口，而AT91M55800A片内集成的3个USART不能满意要求，有必要要对串口进行扩展。彻底选用软件模仿扩展串口，将加剧处理器的负荷，降 低体系的实时性。而选用16C554专用串口扩展芯片将添加体系的电路杂乱性，添加电路板面积。在归纳考虑各种计划之后，将串口作如下装备：
(1) 串行口0 为遥控通道，与遥控接纳机相接，接纳上行信道送来的遥控信息，下传飞机状况参数信息，RS—232规范，波特率9600。
(2) 串行口1：经过4052 扩展，与高度传感器和航向传感器相接。 选用RS—485规范，波特率9600。
(3) 串行口2 与GPS接纳机相接，接纳GPS数据，选用RS—232规范，波特率9600。
(4) 选用SPI总线接口的USART收发器材MAX3111扩展了一路串行接口，本串行口的TX通道作为遥测通道，用于发送飞翔姿势、电源电压、发动机转速、 使命设备作业状况等遥测信息；RX通道为双用处，能够作为装定自主飞翔时的预设航路用，也能够用来装定操控参数。这样，统筹了体系的实时性和紧凑性
5、频率信号的输出
控 制伺服机构常用的是四个舵机，飞翔中要求这四个舵机能够一起动作，相互之间不能有推迟。而AT91M55800A的6路守时/计数器正好能够用来作为输出 PWM信号的器材，不需求扩展接口芯片。余下的一路守时器用作μC/OS-II的体系时钟，别的一路守时器用作发动机转速监测。依据舵机的作业方法和操控 精度的要求，设置作业方法，满意舵机作业要求。这样既减少了硬件的扩展又降低了软件的耗费，提高了精度、大大提高体系功率。
6、数字I/O口输出
经过AT91M55800A GI/O由片上PIOA和PIOB操控器输出开关量，经过光耦阻隔、驱动扩大进行操控使命设备、收回设备等设备。
7、复位电路
AT91M55800A 在复位时，主时钟来自慢速时钟(32 768Hz)，并且主时钟上的信号有必要在NRST信号上升沿之前至少10个时钟周期内坚持有用，及复位信号至少坚持0.3ms，所扩展的存储体系复位时刻 均小于0.3ms，因而本体系选用了能供给20ms低脉冲的MAX6315芯片。一起AT91M55800A具有可编程的看门狗守时器。因为体系电源瞬间 短缺或意外掉电致使程序跑飞或重要数据丢掉导致体系无法作业时，选用看门狗守时器可发生内部复位信号，使复位体系。
四、体系规划中的要害技能
1、硬件资源的合理使用和端口装备的准则
AT91M55800A 有着丰厚的硬件资源，能否充分使用和恰当装备这些资源是规划胜败的要害。假如给CPU的负担过重,体系有或许难以完结实时操控的使命，假如装备不合理,资 源则不能得到充分使用，并且会影响体系的实时性，增加软件的杂乱性。CPU首要处理4路模仿量输入、10路开关量输入、1路频率量输入、3路守时信号输 入、4路PWM波输出、8路开关量输出和4路串行数据接口，依据微操控器的结构特色别离装备，如将模仿量输入装备在A/D部分，开关量输入和输出装备在 GPI/O，3路守时信号输入、1路频率量输入和PWM波装备在守时/计数器多通道部分，4路串行数据接口经过恰当扩展装备在3个USART上。在规划中 对端口分配遵从了以下准则，并做了必定的时刻测算；
(1) 首要确认MCU内核的完结计划，为输入输出信号量衔接计划的确认创始条件；
(2) 优先考虑各端口的基本功用，再次考虑端口的第二、第三功用；
(3) 考虑信号匹配与端口的驱动才能；
(4) 考虑时刻要素，对ADC、UARST、GPI/O、PWM、SPI等处理子程序进行时刻估量与测算，确认CPU的使命量,保CPU有必定的时刻裕度；
(5) 使用空余的端口做冗余规划，使某些功用的完结有必定的自由度。
2、体系的抗搅扰办法
在无人机体系功用诸目标中，牢靠性是首要考虑的要素。无人机飞翔操控器有必要安稳牢靠地运转，否则将导致操控呈现误差，严峻时将或许构成巨大经济损失或许生命危险。因而在操控器硬件的规划中，要一直遵循高牢靠性、高安稳性这一准则，并为软件抗搅扰办法的施行打好根底。
影响操控器牢靠安全运转的首要要素有以下几个方面：电磁场搅扰、供电方法、元器材功用、PCB的布局与走线、机械结构规划等。
针对这些要素，在本体系的硬件规划中选用了如下一些办法：
（1）主控板选用四层的高频电路板；
（2）选用滤波技能、去耦%&&&&&%、屏蔽技能、阻隔技能和接地技能减小电磁场的搅扰；
（3）数字部分和模仿部分独立供电
（4）尽量选用高集成度、高安稳性、高牢靠性的面贴元件；
（5）PCB板上元器材按功用分区、就近布局，45°走线、满接地；
（6）挑选高牢靠性接插件，紧固装置，屏蔽壳体。
3、整机供电与功耗考虑
无 人机的动力源是能量有限的机载蓄电池，所以能耗问题是衡量操控其功用的一项目标。机载蓄电池供给的是±12V的直流电源，关于飞控器来说，需求处理两个问 题。一是怎么进行DC/DC转化既能满意体系对电源数量及伏值的要求，又使转化功率足够高；二是选用什么样的元器材，既能满意信号匹配的要求又能使器材功 耗低。
系 统中选用的是高转化功率的小型PKC2121模块，能够发生安稳的±12V电压，为±9V的电源基准供给输入，5V和9V依据详细需求给模仿电路供 电，5V作为3.3V电源基准REF192GS的输入电压，3.3V给飞控核算机供和存储体系供电。在信号匹配的前提下尽量选用低功耗的CMOS器材，降 低体系总能耗。
五、结束语
经 过开始调试，该硬件渠道各项功用均到达规划意图。为了便利和硬件的联调，软件规划以源码揭露的实时嵌入式操作体系μC/OS-II为软件渠道，将体系功用 依照优先级循序分为数据收集模块、操控解算模块、模态操控模块、高度航向读取模块、指令接纳模块、 GPS接纳模块、航路操控模块、遥测发送模块、芯片发动部分选用汇编言语，对算法杂乱、核算量大的，选用C言语。软件和硬件别离调试经往后，可进行软件和 硬件的联调，最终构成根据ARM的新式飞翔操控核算机。
该硬件体系体积小，成本低。规划中选用了模块化的结构方法，将主控模块和信号调度模块及信号输出模块分隔，那么将主控模块与不同的信号调度模块和输出信号的相结合能够完结规划体系的通用性作为某类型的一系列无人机的飞控器。跟着技能的不断开展 ，ARM将以它特有的优越性在军事和高科技中得到广泛的使用。
参阅文献：
[1] David Seal. ARM Architecture Reference Manual Second Edition [M]. Pearson Education Limited.
[2] ARM7TDMI (Rev4) Technical Reference Manual[M]. ARM DDI
[3]张明廉.飞翔操控体系[M]. 北京:航空工业出版社, 1993
[4]何衍庆等. 操控体系剖析、规划和使用[M]. 北京:化学工业出版社. 2003.1
[5]马忠梅等. ARM嵌入式处理器结构与使用根底[M]. 北京:北京航空航天大学出版社.2003
