基于DSP的無人機數據采集系統的設計

周 濤，季明麗，李賽輝

（1. 江蘇海事職業技術學院 電氣工程系，南京 211170；2. 西北工業大學 第365研究所，西安 710072）

基于DSP的無人機數據采集系統的設計

周 濤1，季明麗1，李賽輝2

（1. 江蘇海事職業技術學院 電氣工程系，南京 211170；2. 西北工業大學 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、以及精度高的數據采集系統來實現對無人機的實時控制。一般的數據采集系統很難滿足以上要求。本文著重闡述了基于TMS320F2812的某型無人機數據采集系統軟件和硬件的實現過程。其中包括DSP最小系統設計、各種信號調理電路、模數轉換單元、與飛控機CAN通信電路的設計等。分析了該系統在實現過程中需要解決的一些問題其中包括系統的體積以及抗干擾性等。

DSP;數據采集;飛行控制；無人機

0 引言

在無人機設計中，由于受到體積和重量等的限制，所有的設備必須滿足體積小、重量輕、可靠性高以及電磁兼容性好等要求。作為無人機的前端處理部件，數據采集系統的性能直接關系到無人機能否高質量完成飛行任務，而其可靠性則會影響到無人機的生存能力，一般的數據采集系統很難滿足以上要求[1,2]。因此，本文為某型無人機設計了以DSP為核心控制器的數據采集系統，用來檢測無人機舵機系統中的舵面偏轉角、舵機驅動器的母線電流以及舵機周圍環境溫度參數等。

1 系統概述

從無人機傳感器過來的模擬輸入信號通過含有隔離、濾波、放大以及各種保護功能的信號調理單元后送入模數轉換單元輸入端，由飛控機發送控制命令字通知DSP選擇某個模擬通道進行轉換,然后由DSP根據A/D轉換單元的特點開啟模數轉換。當轉換結束后，DSP讀取轉換結果并對其進行數字平滑濾波，最后再將數據通過CAN總線上傳給飛控機。為了保障在寬范圍的溫度下也能正常工作，DSP要不斷檢測環境溫度，當溫度不在工作范圍時飛控機作出相應的處理。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構

2 硬件實現

數據采集系統的硬件電路包括DSP主控電路、串口通信電路、A/D轉換電路以及信號調理電路。

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的TMS320F2812芯片作為主控單元。它具有以下顯著優點：

1）主頻150MHz 32位內核,運算速度很好地滿足了新一代飛控機對數據處理速度的要求；

2）片上集成256 K 字節的閃存，方便自啟動，無需外部擴展，從而大大減小了系統的尺寸；

3）內帶UART 以及增強的CAN 總線接口，方便與不同上位機協議通信的硬件設計，本系統將采集好的數據通過CAN上傳給飛控機；

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

DSP的電源設計是DSP應用系統設計中一個重要的組成部分。由于DSP在系統中要承擔大量的實時數據計算、在其CPU內部，部件的頻繁開關轉換會使系統功耗大大增加，所以沒有一個良好的供電系統很難保證系統的可靠，穩定。本系統采用TI公司生產的雙路低壓差電源穩壓器TPS767D318，它一路輸出3.3V供I/O電源，另一路輸出1.8V供內核電源，TPS767D318是一款專為DSP運用系統而設計的電源穩壓器，它具有效率高，每個穩壓端輸出電流范圍為0mA－1A，響應速度快等特點。

2.2 A/D轉換單元

采用TI公司生產的ADG426多路選擇器和AD976A模數轉換芯片組成16路A/D轉換單元。ADG426切換速度快且選擇的輸入端數量可達16路，可以完成模擬輸入量多且轉換速度要求快的無人機數據采集系統。16位的AD976A芯片，片內置采樣保持器，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這些特性滿足數據采集系統對速度和精度的要求。

主控DSP TMS320F2812的外部數據線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，兩者要進行電平轉換。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的外部數據線XD0-XD15通過電平轉換與AD976A的數據線D0-D15相連。AD976A開始采樣是在R/ 引腳的下降沿進行，DSP的R/ 在平常是高電平，一旦往外寫數據時會產生一個下降沿此信號通過電平轉換后與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 信號調理電路的設計

信號調理電路是無人機數據采集系統的重要組成部分。本文主要有無人機系統的舵機電流檢測電路、舵面位置檢測電路的設計。

由于無人機對尺寸的要求非常嚴格，霍爾電流傳感器體積大不適合作為舵機母線電流的檢測元件。本系統采用VISHAY 0.01/5W電阻串接在功率驅動回路中，將電流信號轉為電壓信號。無人機系統由數字電路、模擬電路和功率電路構成，包含有強電、弱電電路元件，結構較復雜，這就給數據采集系統的可靠性和抗干擾性設計提出非常高的要求。為了防止無人機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入AD轉換芯片前必須進行隔離。

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。

舵面偏轉角是由精密導電塑料電位計來檢測的，此傳感器特點是偏轉角度與電位計上的電壓成正比。舵機電位器使用5V基準電壓供電，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行調整，將單邊的信號轉為±5V電壓信號。舵偏角范圍為60度，儀表放大器的放大倍數選為12。經過調理后的位置信號輸入A/D轉換單元。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

受無人機體積、重量的限制，眾多的機載電子設備同時一起工作，特別是電纜周圍強功率的無線電發射機和接收機、開關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入數據采集系統，從而降低了系統的可靠性，嚴重時還會危及無人機安全。本課題采用具有接口簡單、傳輸速率高、實時性好、抗干擾能力強等特點的CAN總線來和飛控機通信。由于無人機內部數據傳輸距離短，CAN總線數據傳輸速度可達到1Mbps，滿足實時性要求。

表1 實驗數據

本系統選用高速C A N收發器模塊SN65HVD230，該芯片內部集成了所有必需的DC-DC轉換、CAN隔離及CAN收/發器件。模塊的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為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 標準，因此，它可以和其他遵從ISO 11898標準的CAN收發器產品進行數據交換。

2.5 溫度檢測

無人機上的設備在使用中面臨非常嚴峻的溫度環境，一方面在地面調試時機艙內可能有很高的溫度，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備都是及為不利的。為了檢測工作狀態和內部環境，在系統內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，供電3.3V。DSP通過SPI接口和ADT7301相連，DSP設置為主模式。數據在時鐘下降沿送出，溫度更新率為1秒，溫度轉換時間為800us，讀取不影響轉換。

3 軟件設計

系統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轉換處理、數字濾波處理、溫度傳感器數據的讀取以及CAN通信。數據采集系統的工作過程如下：系統初始化后開始自檢測包括檢測A/D采集故障，數字指令接收超時等。接下來的主程序是個循環體，它每秒鐘讀取一次溫度值，當讀到的溫度值不在正常范圍時，DSP做相應的處理[4]。

當數據從飛控機傳來后DSP 響應中斷程序，將接收到的數據進行處理，同時將結果寫入ADG426的通道選擇端并啟動模數轉換芯片AD976A。在AD轉換過程中AD976A的 端保持低電平轉換結束后變成高電平。DSP通過查詢此端口來判斷模數轉換是否完成。當數據轉換完畢，TMS320F2812讀取轉換結果并進行平滑濾波處理，同時將最后結果上傳給飛控機。

4 實驗結果

系統采用周立功公司生產的USBCANII智能CAN接口卡作為PC機的轉接卡，計算機通過USB總線連接至數據采集系統。

數據采集系統通過CAN總線將溫度和參考電壓反饋給PC機。在DSP程序中，溫度作為CAN控制器5號郵箱的高字節數據而參考電壓作為低字節數據來發送。由表1可得系統的反饋溫度為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，對應的電壓為 V。實驗表明:整個系統簡單可靠，運行效果良好，其性能滿足某型無人機對數據采集系統的要求[5]。

[1]劉迎春,何清華,賀繼林,等.DSP56F807在小型無人機舵機控制器中的應用[J].湖南工程學院學報,2007,17(3):34-37.

[2]李賽輝,雷金奎.基于 D S P的數字舵機控制系統的設計與實現[J].計算機測量與控制,2009,17(3):484-486．

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

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

[5]胡林.高精度舵機控制器的研制[D].西北工業大學,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。