基于SmartFusion的無人機飛行控制系統設計
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SmartFusion的主要特點和功能體現在：
(1)功能齊全的FPGA。SmartFusion器件具有Actel經過驗證的基于快速閃存技術ProASIC3 FPGA架構，使用先進的130 nm七層快閃CMOS工藝技術，系統門密度范圍為60K～500K，并具有350 MHz的工作頻率和最多204個I／O。這種組合能夠集成來自其他器件的現有功能，大幅減少線路板空間和總體系統的功耗。
(2)微控制器子系統。器件的智能性是以微控制器子系統的形式加入FPGA的，子系統帶有100 MHz工作頻率的ARM Cortex-M3處理器硬核，全部標準外設和功能包括：多層AHB通信矩陣，吞吐率高達16 Gb／s，帶有RMI接口的10M／100M以太網MAC和SPI，I2C，UART和32位定時器。具有最高512 KB閃存，64 KB SRAM和外部存儲器控制器(EMC)以及8通道DMA控制器。
(3)可編程模擬模塊。創新性專有模擬計算引擎(ACE)能執行采樣排序和計算，能夠分擔ARM Cortex-M3處理器的模擬初始化和處理任務，可編程模擬包括：精度為1％的ADC和DAC，多達3個采樣頻率為600KS／s的12位ADC，最多3個12位第一階DAC、10個50 ns高速比較器并集成多種溫度、電壓和電流監控功能。
在這里，選用SmartFusion系列的A2F200M3作為核心芯片。它的MSS的主要功能是保持與地面站的通訊，采集姿態角數據和GPS定位數據，發送控制命令給FPGA，運行相關的飛行控制算法和導航控制算法等。FPGA架構的主要功能是采集與測量傳感器的數據，接收MSS的命令與驅動舵機。FPGA分擔了一部分原可以采用MSS來實現的任務，使MSS有更多的時問用于運行算法，以提高系統的整體性能。
外圍接口電路主要由RS 232接口、GPS接口、SD卡接口、傳感器信號采集通道、發動機轉速測量通道、電池電壓檢測通道等組成。GPS和PC串口連接均需要1片MAX232芯片進行電平轉換。SD卡用于存放飛行參數及圖像數據。MSS與FPGA之間可通過GPIO進行數據傳輸。舵機驅動、無線接收機信號檢測、信號控制等功能均由芯片的內部邏輯電路來實現，采用VerilogHDL語言編寫。鑒于飛行控制和導航精度的要求，該模塊選用了TI公司的A／D芯片TLC3548，用來采集三軸加速度計、高度傳感器、三角速率陀螺輸出的電壓信號。A／D、驅動組成框圖如圖4所示。
3 軟件設計
由于飛控計算機運行的程序復雜，信息量大，對實時性和穩定性要求高，采用單任務順序機制的編程方式已不能滿足飛控系統的要求，因此飛控軟件采用了實時嵌入式操作系統μC／OS-Ⅱ。μC／OS-Ⅱ是專門為計算機的嵌入式應用而設計的實時操作系統，是可裁減的、基于靜態優先級的可剝奪型多任務實時內核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和微控制器，其實時性能和內核的健壯性已在大量的實際應用中得到了證實。
飛控系統的應用程序分為初始化模塊、數據采集模塊、控制解算模塊、姿態讀取模塊、GPS接收模塊、遙測發送模塊、控制量輸出模塊。任務與功能模塊資源之間的關系如圖5所示。飛行控制系統開始運行時，飛控計算機在完成自檢后，首先進行慣性導航系統的初始對準及任務諸元裝訂，接收初始對準裝置發送的初始姿態和位置信息，然后等待控制系統的啟動命令。飛控系統啟動后進行初始化設置，根據任務優先級、調用相應的程序模塊完成預定任務，各個任務之間的公共數據采用共享變量的方式進行協同，但需要采取一定的保護措施。
4 結語
基于SmartFusion的無人機飛控系統具有體積小，精度高，運算速度快，可剪裁性的優點，特別是軟件上采用μC／OS-Ⅱ實時操作系統，使飛控系統具有實時性的特點。該飛控系統已在某型無人機上得到了應用，飛行驗證表明系統設計滿足要求。本文設計的飛控系統具有一定的工程應用價值，為飛控系統的設計提供了借鑒。
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