基于DSP/FPGA架构实现无人机控制系统

论文摘要

无人机在军工以及民用方面都有着巨大的应用价值。近些年半导体产业的迅猛发展,为处于核心地位的飞行控制系统提供了良好的嵌入式解决方案。DSP在运算方面具有高速度和高精度的优势,FPGA易于实现外设逻辑资源扩展,以此为基础而设计的飞行控制系统具有广泛的应用前景。本文研究了一种基于DSP/FPGA架构设计的飞行控制开发平台。DSP用于运行数据处理、算法实现以及管理外设运行；FPGA为DSP提供串行外设扩展资源。论文详细介绍了FPGA运行所需要的辅助电路设计以及DSP控制板卡的接口应用,通过在FPGA上实现PICOBLAZE IP核、SPI模块和15个UART模块,完成外部设备与DSP之间高速稳定通信。作为无人机直接的执行机构,舵机的控制精度和灵活性决定着飞行控制系统的性能。论文以70LCX系列舵机为控制对象,采用全桥PWM电机驱动芯片DRV8402实现对DSP驱动信号功率匹配并直接驱动舵机运行。为构成反馈控制,对舵机参数进行采样,由DSP内部A/D模块采集、调理后的标准电压信号供DSP中程序读取并参与控制算法运算。论文最后讨论了直升机模型的建立以及PID控制原理,并在DSP中实现包括PWM信号的产生、A/D数据采集以及与FPGA扩展的外设资源数据传输的驱动程序编写,完成整个系统的数字闭环控制运行所必需的软硬件设计,为后续实验、测试以及系统的进一步完善打下基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 无人直升机概述
• 1.2 飞控计算机的发展
• 1.3 论文研究的主要研究工作
• 2 飞行控制系统硬件设计
• 2.1 控制系统的硬件电路设计
• 2.2 FPGA以及外围电路设计
• 2.2.1 FPGA配置电路
• 2.2.2 FPGA电源电路
• 2.3 TMS320F28335控制板卡
• 2.4 串行总线接口设计
• 2.5 舵机驱动电路设计
• 2.5.1 驱动电路设计
• 2.5.2 DRV8402与DSP接口电路设计
• 2.5.3 舵机位置及速度数据采集
• 2.5.4 驱动电路电源设计
• 2.5.5 驱动电路板的PCB设计
• 3 基于FPGA的高速数据交换接口设计
• 3.1 FPGA时钟组件
• 3.2 PICOBLAZE核
• 3.2.1 PICOBLAZE架构
• 3.2.2 PICOBLAZE下应用程序的开发
• 3.3 PICOBLAZE功能实现
• 3.3.1 数据流从SPI到UART程序设计
• 3.3.2 UART到SPI数据处理流程设计
• 3.4 串行通信模块设计
• 3.5 SPI模块设计
• 3.5.1 SPI模块的设计
• 3.5.2 SPI控制器设计
• 3.5.3 功能集成测试
• 4 飞控系统软件模块设计
• 4.1 无人直升机控制模型
• 4.2 飞控系统软件流程
• 4.3 舵机驱动信号
• 4.4 A/D转换模块设计
• 4.5 串行外设数据采集
• 4.6 驱动电路板的监测
• 5 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢