一種基于A R M+F P G A的無人機地面測控系統設計與實現

南京模擬技術研究所 辛海洋 彭 飛

一種基于A R M+F P G A的無人機地面測控系統設計與實現

南京模擬技術研究所 辛海洋 彭 飛

本文基于ARM+FPGA的嵌入式架構，實現單測控站對多目標無人機的可靠控制。其中，ARM微處理器主要負責各無人機GPS/北斗數據的解算，通過解算得到的方位角、俯仰角、天線陣列單元編號信息，完成對無人機的跟蹤；FPGA作為協同處理器，一方面提供RS232/RS422/SPI數據接口和時序控制，另一方面完成無人機遙測、遙控數據的高速處理。整個系統采用TDMA（時分多址）的方式，通過對每個通信時隙的精確控制，實現單站遠距離多目標無人機的可靠測控。本設計能夠實現一站最多9架無人機的同時測控。

ARM；FPGA；無人機；TDMA

0 引言

測控系統作為無人機系統的重要組成部分，主要完成對無人機的遙控、遙測、跟蹤定位，實現對機載任務載荷的遠距離操縱以及偵察信息的實時傳輸、監視、記錄及分發。在多無人機協同作戰技術快速發展的今天，測控系統的工作方式也由一站一機，發展到一站多機。

1 設計原理

本文主要對一站多機的無人機測控地面測控系統實現進行介紹。該系統采用電掃描技術，對無人機具有TDMA(時分多址)+頻分+空分的精確控制功能（如圖1所示）。通過劃分時隙，在每個通信時隙內，完成多組數據的交互。再通過ARM控制解算，完成對個無人機的精確跟蹤，實現遠距離多目標無人機的可靠測控。

地面測控系統采用ARM+FPGA的嵌入式架構。其中，ARM微處理器采用STM32 Cortex-M3芯片，FPGA采用Xilinx Spartan6系列芯片?？梢愿鶕煌吞柕臒o人機，來配置各路串口數據的波特率，也可以在線對遙控、遙測通道進行配置切換。

此外，此地面控制部分具有GPS數據導引跟蹤及自動搜索功能，能夠通過場強信息快速找到目標無人機。具有故障診斷識別功能和自動重捕功能。本次設計能夠實現一站最多9架無人機的同時測控。

2 系統設計

2.1 ARM功能介紹

控制解算模塊是地面測控系統的核心。由ARM微處理器（STM32 Cortex-M3芯片）及其外圍電路組成。實現功能需要的片內資源包括時鐘模塊、SPI接口模塊、GPIO模塊、外部中斷、定時/計數器等。其主要實現的功能包括正北標定，與FPGA數據處理模塊進行數據交互、多無人機的實時跟蹤控制，與顯示按鍵模塊的輸入輸出響應等。

圖1 時分通信機制

2.2 FPGA功能介紹

FPGA選取Xilinx Spartan6芯片（低功耗、低成本，同時具有多大150000個邏輯單元等，可以很好的滿足設計所需資源量及系統的工作性能），通過SPI總線接口與ARM互聯，配備有源晶振，同時選取12個引腳與12個串口互聯，控制端口中，預留1各接口，以便升級，功能框圖如圖2所示。

主要實現多路串口數據的收發及與ARM間的數據交互。FPGA內部定時器負責計時，當一個時隙到來，通知ARM進行高速天線開關的切換，ARM發出開關切換指令，同時把消息反饋給FPGA。FPGA延時幾十納秒后，收遙測指令并解析，再通過SPI總線輸出給ARM，通過串口輸出給指控設備；同步狀態下收遙控指令，解析后經射頻組件和天線發送。

2.3 硬件設計

2．3．1 正北標定

在無人機起飛前，利用瞄準鏡/GPS組合方式進行正北標定。首先根據選擇好的場地，確定測控地面站的站址點，用GPS/北斗定位，并記錄其經緯度，作好標記。站址點確定后，不能任意移動，否則需重新進行標定過程。選取參照點，參照點與站址點應大于800m，設立長桿標志，移動長桿，確保其與瞄準鏡的中垂線重合，用GPS/北斗定位，記錄其經緯度。ARM微處理器根據兩點的GPS坐標值，算出參照點到站址點的方位角，作為GPS/北斗跟蹤時無人機處在哪個天線單元覆蓋范圍內的重要依據。

圖2 FPGA功能框圖

2．3．2 多無人機的實時跟蹤控制

無人機起飛后初捕模式下。近場階段，根據無人機的高度、距離切換到一低仰角的全向天線進行通信；遠場階段，自動在定向天線單元間依次切換進行搜索，確定每架無人機處于哪個定向天線單元覆蓋范圍之內，記錄下對應天線單元編號，之后轉入自動跟蹤模式。如有無人機未能確定所在方位，將此無人機所對應天線編號統一設為某一定向天線單元，留待自動跟蹤模式下，再進行搜索。

3 結論

3.1 仿真結果

ARM通過SPI接口配置1號無人機，波特率為19200（代號：01），ModelSim仿真結果如圖4所示。

圖3 仿真結果圖

圖4 仿真結果圖

目前，通過串口調試工具，設立9臺飛控計算機與機載設備，同時與測控站互通，通信情況良好，誤碼率約10-6，且無丟包現象。

通過實際搭載飛行，實測情況下3架無人機同時在線時，通信情況良好。（由于條件所限，實際最大測試無人機數為3架。）

3.2 結論

通過理論模擬試驗與實際飛行測試，證實本文提出的一站多機的數據處理方法是可行的。并且在數據通信可靠性方面，也滿足通用測控站的要求。

[1]田耘,徐文波,張延偉．無線通信FPGA設計[M]．北京:電子工業出版社,2008,02．

[2]杜春雷．ARM體系結構與編程[M]．北京:清華大學出版社,2003,02．

[3]田耘,徐文波,楊放．Xilinx FPGA開發使用教程[M]．北京:清華大學出版社,2008,11．

[4]黃智偉．FPGA系統設計與實踐[M]．北京:電子工業出版社,2005,01．

[5]江曉林,楊明極．通信原理[M]．哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2010,03．

[6]于斌．謝龍漢．ModelSim電子系統分析及仿真[M]．電子工業出版社,2014,02．