无人靶机飞行控制系统硬件设计与实现(硕士)

无人靶机飞行控制系统硬件设计与实现(硕士)(论文22000字)
Hardware Design and Implement of the Flight Control System for Target Drone

摘  要
针对无人靶机对飞行控制系统任务控制、接口、性能、体积和重量等的要求，本文开展了以DSP处理器为核心的无人靶机飞行控制系统的研究，完成了系统的硬件设计、测试及底层驱动软件设计、测试，为无人靶机飞行控制率设计开发奠定了坚实基础。
本文研究了无人靶机飞行控制系统的特殊性和国内外研究现状，根据无人靶机对飞行控制系统的需求，完成了以DSP处理器为核心的飞行控制系统的硬件方案设计。在设计方案中采用模块化设计思想，按照系统功能组成将飞行控制系统划分为控制单元、传感器、执行机构、测控模块、系统电源。
其次，基于DSP微处理器的最小系统，实现了由时钟电路、复位电路、调试接口电路、存储器扩展电路构成CPU模块的硬件设计，解决了系统可靠性以及存储器资源不足的问题。根据系统集成多种传感器、执行机构、测控模块和任务功能单元的特点，开展并完成了多路模拟量输入（ADC）接口、多种电气规格的串行通信接口和多路PWM接口电路的设计与实现。
再次，根据系统各模块的供电需求，完成了二次电源与配电的详细设计。为了提高系统的可靠性特别是电磁兼容性，采用信号流向设计、模拟与数字单点共地、光电隔离、电源分割等技术，完成了多层板布线设计与制作，降低了电磁干扰，提高了系统工作的稳定性和可靠性。
本文最后开发了飞行控制系统驱动软件。对系统硬件的功能和性能进行单元测试和系统集成测试，在硬件设计和底层开发软件基础上，验证了飞行控制系统硬件设计正确性。

关键词：无人靶机，DSP，飞行控制系统
ABSTRACT
With the strict requirements on flight control system performance, its size and weight of target drone, this paper designs the flight control system based on DSP processor for target drone, which lays a solid foundation for performance test and the software development of target drone.
After describing the research status of flight control system for target drone in the world, the whole hardware scheme based on DSP processor is given in order to meet the target drone flight control system functions. And flight control system is divided into the control module, Sensor, actuator, measurement and system power supply.
Secondly, the control module based on the minimal system of DSP microprocessor is developed, which consists of clock part, restet part, debugging part and memeory part. Then, the interface circuits related AD interface, serial communication interface and PWM interface is given according to the properties of sensors, actuators, wireless communication.
Thirdly, detailed design of secondary power supply and power distribution was accomplished, which is based on the electricity demand of each module in the system. In order to improve the reliability of system, especially for electromagnetic compatibility, some technologies, such as signal-flow design, analogue and digital single-point grounding, optoelectronic isolation, power-layer and grounding-layer segment, is used in the hareware circuits, which effectively reduced the electromagnetic interference and improved the system operating stability and reliability.
After completement of device driver software development, on the basis of hardware design and the underlying development software, the unit test and system integrated test were carried out for the hardware system. Verify the correctness of the flight control system hardware designed for target drone.

Key Words: Target Drone, DSP, flight control system
目  录
摘  要    i
ABSTRACT    ii
目  录    iii
图表清单    v
注释表    vi
第一章 绪论    1
1.1 引言    1
1.2 飞行控制系统研究现状    1
1.2.1 国外研究现状    2
1.2.2 国内研究现状    3
1.3 研究内容和章节安排    5
第二章 系统设计方案    6
2.1 引言    6
2.2 系统方案设计    6
2.2.1 控制单元    7
2.2.2 传感器构成    8
2.2.2.1 压力传感器    8
2.2.2.2 IMU传感器    9
2.2.2.3 GPS模块    10
2.2.2.4 垂直陀螺    10
2.2.3 执行机构    10
2.2.4 测控模块    11
2.3 本章小结    11
第三章 飞行控制系统硬件设计    12
3.1 引言    12
3.2 CPU硬件电路设计    13
3.2.1 时钟电路设计    13
3.2.2 外部看门狗电路设计    14
3.2.3 调试接口设计    15
3.2.4 存储器扩展电路设计    15
3.3 接口电路设计    16
3.3.1 压力传感器接口    16
3.3.2 IMU传感器接口    17
3.3.3 GPS接口    18
3.3.4测控模块接口    19
3.4 执行机构电路设计    19
3.4.1 PWM输出接口设计    19
3.4.2 PWM捕获接口设计    20
3.5 离散量电路设计    20
3.6 UART串行接口设计    21
3.7 系统电源设计    21
3.7.1 供电需求分析    22
3.7.2 电源设计方案    22
3.7.4 电源电路设计    23
3.8 PCB设计    24
3.9 本章小结    26
第四章 驱动软件设计    27
4.1 引言    27
4.2实时嵌入式操作系统选型及移植    27
4.2.1 DSP/BIOS在TMS320F28335上的移植    27
4.2.3.1 DSP/BIOS配置文件的建立与设置    27
4.2.3.2加载DSP/BIOS程序的编写    30
4.3 模拟量驱动设计    31
4.3.1 DSP的SPI及初始化    31
4.3.2 A/D接口驱动设计    32
4.4 串口驱动设计    33
4.4.1集成串口驱动    33
4.4.2外部扩展串口    33
4.5 PWM驱动设计    34
4.6 离散量驱动设计    34
4.7 本章小结    34
第五章 系统硬件测试和验证    36
5.1 引言    36
5.2 测试方案    36
5.3 电源模块测试    36
5.4 CPU最小系统    36
5.5 接口测试    37
5.5.1 模拟量通道测试    37
5.5.2 串行通信接口测试    37
5.5.3 PWM接口测试    38
5.5.4 离散量接口测试    38
5.6 集成测试和验证    38
5.7 本章小结    39
第六章 总结与展望    40
6.1 本文主要研究工作    40
6.2 后续工作展望    40
参考文献    42
致  谢    45
在学期间发表的学术论文    46

 
图表清单
图1.1 Piccolo Plus飞控系统结构图    3
图1.2 MicroPilot MP2028g飞控系统结构图    3
图1.3飞控系统的硬件结构图    4
图2.1 无人机飞行控制系统结构框图    6
图2.2无人靶机飞行控制总体方案    7
图2.4 传感器的组成    8
图2.5 MPXV5004G实物和内部结构图    9
图2.6 MPXAZ6115A实物和内部原理图    9
图2.7 ADIS16407结构原理    10
图2.8 N920测控模块    11
图3.1 飞行控制系统结构框图    13
图3.2 时钟信号产生电路原理图    14
图3.3 上电复位电路原理图    14
图3.4 MAX1232结构原理    14
图3.5 JTAG调试接口    15
图3.6外扩存储器的总线接口图    15
图3.7 压力传感器电路图    16
图3.9 AD7689与DSP连接的电路图    17
图3.10 基准电压电路    17
图3.16 ADIS16407接口电路及电平转换电路    18
图3.17 GPS接口电路图    18
图3.19 N920接口电路图    19
图3.11 PWM输出电路图    20
图3.12 PWM捕获电路图    20
图3.13 火工品控制电路    21
图3.15 串口扩展电路原理图    21
图3.20 系统电源分配示意图    23
图3.21 18V~36V转5V电路图    24
图3.24 5V转3.3V电路图    24
图3.25 5V转1.8V电路图    24
图3.28 PCB布线结果图    25
图3.29 PCB板实物图    26
图4.4 QSPI主机模式初始化流程图    32
图4.5 A/D转换的流程图    33
图5.9 集成测试环境构成    38

表3.1 输入输出功能    12
表3.3 系统主要器件电源需求    22
表5.1模拟电压采样    36
表5.3 PWM捕获测试结果    37
表5.4 离散量测试结果    37
表5.5 接口参数测试表    39
注释表
缩写    英文全称    中文名称
ADC    Analog-to-Digital Converter    模数转换器
CPU    Central Processing Unit    中央处理器
DAC    Digital-to-Analog Converter    数模转换器
DI/O    Digital Input/Output    数字量输入输出
DSP    Digital Signal Processing    数字信号处理器
Flash    Flash Memory    闪存存储器
FPU    Floating Point Unit     浮点运算单元
GPS    Global Position System    全球定位系统
AHRS    Attitude and Heading
Reference System    航姿参考系统
JTAG    Joint Test Action Group    边界扫描测试接口
LDO    Low Drop Out (voltage regulators)    低压差输出
MEMS    Micro Electromechanical System    微电子机械系统
MIOS    Modular Input/Output Subsystem    标准输入输出子系统
SPI    Serial Peripheral Interface    队列式串行外设接口
PCB    Printed Circuit Board    印刷电路板
PWM    Pulse Width Modulation    脉宽调制
RAM    Random Access Memory    随机访问存储器
RCPU    RISC MCU Central Processing Unit    精简指令处理器内核
ROM    Read Only Memory    只读存储器
SCI    Scalable Coherent Interface    可扩展一致性接口
SPI    Serial Peripheral Interface    串行外设接口
SRAM    Static Random Access Memory    静态随机访问存储器
UART    Universal Asynchronous
Receiver and Transmitter    通用异步收发器
UAV    Unmanned Aerial Vehicle    无人机