劳Ｉ生 勺 似 基于ＤＳＰ的无人机数据采集系统的设计 Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＵＡＶ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈａｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ 周涛 ，季明丽 ，李赛辉 ＺＨＯＵ Ｔａ０。，Ｊｌ Ｍｉｎｇ－ｌｊ。．ＬＩ Ｓａｉ－ｈｕｉ （１．江苏海事职业技术学院电气工程系，南京２１１１７０；２．西北工业大学第３６５研究所，西安７１００７２） 摘要：在飞行控制过程中需要采用可靠性好、速度快、以及精度高的数据采集系统来实现对无人机 的实时控制。一般的数据采集系统很难满足以上要求。本文着重阐述了基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１ ２的 某型无人机数据采集系统软件和硬件的实现过程。其中包括ＤＳＰ最小系统设计、各种信号调理 电路、模数转换单元、与飞控机ＣＡＮ通信电路的设计等。分析了该系统在实现过程中需要解 决的一些问题其中包括系统的体积以及抗干扰性等。 关键词：ＤＳＰ；数据采集；飞行控制；无人机 中图分类号：ＴＰ２０２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ００９－０１ ３４（２０１ ｏ）１ １（下）－００５５－０３ Ｄｏｉ：１ ０．３９６９／Ｊ．］ｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１ ０．１１（下）．２１ ０引言 在无人机设计中，由于受到体积和重量等的 ，所有的设备必须满足体积小、重量轻、可 靠性高以及电磁兼容性好等要求。作为无人机的 控机。为了保障在宽范围的温度下也能正常工作， ＤＳＰ要不断检测环境温度，当温度不在工作范围时 飞控机作出相应的处理。系统总体结构如图１所示。 ２硬件实现 数据采集系统的硬件电路包括ＤＳＰ主控电路、 串口通信电路、Ａ／Ｄ转换电路以及信号调理电路。 前端处理部件，数据采集系统的性能直接关系到 无人机能否高质量完成飞行任务，而其可靠性则 会影响到无人机的生存能力，一般的数据采集系 统很难满足以上要求ｕ。 。因此，本文为某型无人 机设计了以ＤＳＰ为核心控制器的数据采集系统，用 来检测无人机舵机系统中的舵面偏转角、舵机驱 动器的母线电流以及舵机周围环境温度参数等。 ２．１ ＤＳＰ的选择与电源的配置 本文选用美国德州仪器公司生产的 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２芯片作为主控单元。它具有以下显 著优点： １）主频１５０ＭＨｚ ３２位内核，运算速度很好地满 足了新一代飞控机对数据处理速度的要求； ２）片上集成２５６ Ｋ字节的闪存，方便自启 动，无需外部扩展，从而大大减小了系统的尺寸； ３）内带ＵＡＲＴ以及增强的ＣＡＮ总线接口，方 便与不同上位机协议通信的硬件设计，本系统将 采集好的数据通过ＣＡＮ上传给飞控机； １系统概述 从无人机传感器过来的模拟输入信号通过含 有隔离、滤波、放大以及各种保护功能的信号调 理单元后送入模数转换单元输入端，由飞控机发 送控制命令字通知ＤＳＰ选择某个模拟通道进行转换， 然后由ＤＳＰ根据Ａ／Ｄ转换单元的特点开启模数转换。 当转换结束后，ＤＳＰ读取转换结果并对其进行数字 平滑滤波，最后再将数据通过ＣＡＮ总线上传给飞 Ｊ飞 输入信号 ［二二二＝＝） 启动转换 ＼广——］／。 卜＼ 主控 Ｃ ｌ ４）内含丰富的中断源，能够及时处理各种突 发事件大大提高系统的可靠性同时也便于以后系 统的升级 。 ＤＳＰ的电源设计是ＤＳＰ应用系统设计中一个 ＣＰＵ 通信一重要的组成部分。由于ＤＳＰ在系统中要承担大量 的实时数据计算、在其ＣＰＵ内部，部件的频繁开 读转换结果 ————— ｌ。’～ 关转换会使系统功耗大大增加，所以没有一个 良好的供电系统很难保证系统的可靠，稳定。 本系统采用ＴＩ公司生产的双路低压差电源稳压器 图１系统总体结构 收稿日期：２０１０－０８－２１ 作者简介：周涛（１９６１一），男，安徽阜南人，副教授，硕士，研究方向为自动控制。 第３２卷第１１期２０１０－１１（下） 【５５】 、Ｉ泣 匐 ＴＰＳ７６７Ｄ３ｌ８，它一路输出３．３Ｖ供Ｉ／Ｏ 电源，另一路输出１．８Ｖ供内核电源， ＴＰＳ７６７Ｄ３ １８是一款专为ＤＳＰ运用系 统而设计的电源稳压器，它具有效 率高，每个稳压端输出电流范围为 ０ｍＡ—ｌ Ａ，响应速度快等特点。 ２．２ Ａ／Ｄ转换单元 采用ＴＩ公司生产的ＡＤＧ４２６多路 选择器和ＡＤ９７６Ａ模数转换芯片组成 ｌ６路Ａ／Ｄ转换单元。ＡＤＧ４２６切换速 度快且选择的输入端数量可达ｌ６路， 可以完成模拟输入量多且转换速度要 求快的无人机数据采集系统。１６位的 ＡＤ９７６Ａ芯片，片内置采样保持器， 最大采样频率２００ＫＨｚ，输入电压范 围一１０至＋１０伏，最大功耗１００ｒｏＷ，能够分辨的电 图２电流检测电路图 常高的要求。为了防止无人机中的功率放大部分 对信号处理部分的干扰，反馈的电流信号在进入 ＡＤ转换芯片前必须进行隔离。 压为０．３０５ｍＶ这些特性满足数据采集系统对速度和 精度的要求。 主控ＤＳＰ ＴＭ￥３２０Ｆ２８ １２的外部数据线ＸＤ０、 ＸＤ１、ＸＤ２、ＸＤ３与多路选择器ＡＤＧ４２６的地址线 Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３相连来完成输入通道的选择。 ＤＳＰ的信号端与ＡＤＧ４２６的信号端相连，两者要 进行电平转换。访问Ｚｏｎｅ０￣ＩＺｏｎｅ１空间都会使得 ＨＣＰＬ一７５１０是Ａｇｉｌｅｎｔ公司推出的适合检测电 动机绕组电流线性隔离检测芯片。电流检测电路 如图２所示。 舵面偏转角是由精密导电塑料电位计来检测 的，此传感器特点是偏转角度与电位计上的电压 成正比。舵机电位器使用５Ｖ基准电压供电，输出 外部片选信号变低，此信号与外部地址ｘＡ１ ３、 ＸＡ１４组合产生Ｚｏｎｅ１空间片选信号并将此信号作 为ＡＤ９７６Ａ的片选信号。ＤＳＰ的外部数据线ＸＤ０一 ＸＤ１５通过电平转换与ＡＤ９７６Ａ的数据线ＤＯ—Ｄ１５￣ｔ 连。ＡＤ９７６Ａ开始采样是在Ｒ／引脚的下降沿进行， 的角位移信号是一个电压信号。使用一个仪表放 大器对位置电压信号进行调整，将单边的信号转 为±５Ｖ电压信号。舵偏角范围为６０度，仪表放大 器的放大倍数选为１２。经过调理后的位置信号输 ＤＳＰ的Ｒ／在平常是高电平，一旦往外写数据时会 产生一个下降沿此信号通过电平转换后与ＡＤ９７６Ａ 的Ｒ／端相连。ＧＰＩＯＡ配置为通用的输入口， ＧＰＩＯＡＰ０与ＡＤ９７６Ａ的端相连。 入Ａ／Ｄ转换单元。检测电路如图３所示。 ２．３信号调理电路的设计 信号调理电路是无人机数据采集系统的重要 组成部分。本文主要有无人机系统的舵机电流检 测电路、舵面位置检测电路的设计。 由于无人机对尺寸的要求非常严格，霍尔电 流传感器体积大不适合作为舵机母线电流的检测 元件。本系统采用ＶＩＳＨＡＹ ０．０１／５Ｗ电阻串接在功 率驱动回路中，将电流信号转为电压信号。无人 机系统由数字电路、模拟电路和功率电路构成， Ｇ 图３舵面偏角检测电路 包含有强电、弱电电路元件，结构较复杂，这就 给数据采集系统的可靠性和抗干扰性设计提出非 【５６】 第３２卷第１１期２０１０—１１（下） ２．４ ＣＡＮ通信电路 受无人机体积、重量的，众多的机载电 、ｌ造 匐 化 表１实验数据 标号 ００００００００ ０００００００１ ０００００００２ ０００００００３ ０００００００４ 传输方向 第几路Ｃ… 时间标识 帧ＩＤ 帧格式 帧类 数据长度 数据 发送 ０ 无 ０ｘ００００００００ 数据帧 标准帧 Ｏｘ０４ ｅｂ ９０ ｆｆ ００ 接收 ０ ０ｘ００ａ９０Ｏ・ｏ ｏ ０ｘ００００００００ 数据帧 标准帧 ０ｘ０８ ００ ００ ０７ ｆｆ ｆｆ ００ ００ ２３ 发送 ０ 无 ０ｘ００００００００ 数据帧 标准帧 ０ｘ０４ ｅｂ ９０ ｆｆ ００ 接收 ０ ０ｘ００ａ９ａ１．・・ ０ｘ００００００００ 数据帧 标准帧 ０ｘ０８ ００ ００ ０７ ｆｆ ｆｆ ００ ００ ２３ 发送 ０ 无 ０ｘ００００００００ 数据帧 标准帧 ０ｘ０４ ｅｂ ９０ ｆｆ ００ 子设备同时一起工作，特别是电缆周围强功率的 无线电发射机和接收机、开关电源以及大功率 超时等。接下来的主程序是个循环体，它每秒钟 读取一次温度值，当读到的温度值不在正常范围 器件等都成为通信电缆的干扰源，它们可不同程 度地进入数据采集系统，从而降低了系统的可靠 性，严重时还会危及无人机安全。本课题采用具 有接口简单、传输速率高、实时性好、抗干扰能 力强等特点的ＣＡＮ总线来和飞控机通信。由于无 人机内部数据传输距离短，ＣＡＮ总线数据传输速 度可达到１Ｍｂｐｓ，满足实时性要求。 本系统选用高速Ｃ Ａ Ｎ收发器模块 ＳＮ６５ＨＶＤ２３０，该芯片内部集成了所有必需的 ＤＣ—ＤＣ转换、ＣＡＮ隔离及ＣＡＮ收／发器件。模块 的主要功能是将ＣＡＮ控制器的逻辑电平转换为 ＣＡＮ总线的差分电平并且具有ＤＣ ２５００Ｖ的隔离 功能。该芯片符合ＩＳＯ １ １８９８标准，因此，它可 以和其他遵从ＩＳＯ １ １ ８９８标准的ＣＡＮ收发器产品 进行数据交换。 ２．５温度检测 无人机上的设备在使用中面临非常严峻的温 度环境，一方面在地面调试时机舱内可能有很高 的温度，另一方面在高空中可能要在极低的温 度下工作，这两种极限情况对设备都是及为不利 的。为了检测工作状态和内部环境，在系统内置 一个很小的温度传感器ＡＤＴ７３０１，该芯片可以 在一４０至１５０度之间工作，在常温精度可以在１度 以内，供电３．３Ｖ。ＤＳＰ通过ＳＰＩ接口和ＡＤＴ７３０１相 连，ＤＳＰ设置为主模式。数据在时钟下降沿送出， 温度更新率为１秒，温度转换时间为８００ｕｓ，读取 不影响转换。 ３软件设计 系统软件由主程序和中断程序组成。包括以 下几部分：主程序初始化、Ａ／Ｄ转换处理、数字滤 波处理、温度传感器数据的读取以及ＣＡＮ通信。 数据采集系统的工作过程如下：系统初始化后开 始自检测包括检测Ａ／Ｄ采集故障，数字指令接收 时，ＤＳＰ做相应的处理 ｊ。 当数据从飞控机传来后Ｄ Ｓ Ｐ响应中断程 序，将接收到的数据进行处理，同时将结果写 入ＡＤＧ４２６的通道选择端并启动模数转换芯片 ＡＤ９７６Ａ。在ＡＤ转换过程中ＡＤ９７６Ａ的端保持低 电平转换结束后变成高电平。ＤＳＰ通过查询此端 口来判断模数转换是否完成。当数据转换完毕， ＴＭＳ３２０Ｆ２８ １２读取转换结果并进行平滑滤波处 理，同时将最后结果上传给飞控机。 ４实验结果 系统采用周立功公司生产的ＵＳＢＣＡＮＩＩ智能 ＣＡＮ接口卡作为ＰＣ机的转接卡，计算机通过ＵＳＢ 总线连接至数据采集系统。 数据采集系统通过ＣＡＮ总线将温度和参考电 压反馈给ＰＣ机。在ＤＳＰ程序中，温度作为ＣＡＮ控 制器５号邮箱的高字节数据而参考电压作为低字节 数据来发送。由表１可得系统的反馈温度为２３ＨＩ￣ｐ 为３５度。通过ＡＤ９７６Ａ采集端口来获取参考电压的 反馈量，端口的输入电压范围是．５Ｖ一５Ｖ。由表１可 得参考电压的反馈值为７ＦＦＦＦ即５２４２８７，对应的电 压为Ｖ。实验表明：整个系统简单可靠，运行效果 良好，其性能满足某型无人机对数据采集系统的 要求 。 参考文献： ［１］刘迎春，何清华，贺继林，等．ＤＳＰ５６Ｆ８０７在小型无人机舵 机控制器中的应用［Ｊ］．湖南工程学院学报，２００７，１７（３）：３４— ３７． 【２】李赛辉，雷金奎．基于Ｄ Ｓ Ｐ的数字舵机控制系统的设计 与实现［Ｊ１．计算机测量与控制，２００９，１７（３）：４８４—４８６． 【３】张卫宁．ＴＭＳ３２０Ｃ２８ｘ系列ＤＳＰ的ＣＰＵ与外设（上，下）［Ｍ］． 北京：清华大学出版社，２００４． ［４］苏奎峰，吕强，耿庆锋，陈圣俭．ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２原理与开发 ［Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００５． ［５】胡林．高精度舵机控制器的研制【Ｄ］．西北工业大学，２００５． 第３２卷第１１期２０１０—１１（下） ［５７１
