基于DSP飞行器控制系统硬件设计
倪原 任展鹏
(西安工业大学 电子信息与工程学院,西安 710032）
摘 要：研究一种基于TMS320F28335 DSP(Digital Signal Processor)的全数字飞行器控制系统的硬件设计，分析了其结构组成：主控制器电路、舵面位置检测电路和通讯等硬件电路设计。经过多次试验调试，所设计的硬件系统可以满足飞行器性能要求。
关键字： DSP； TMS320F28335； 控制系统； 飞行器
中图分类号：TP 文献标示码：A
1引 言：随着科学技术的发展进步，对飞行器飞行控制系统要求的不断提高，使得用传统的设计模拟飞行控制器设计方法无法满足要求。高速处理芯片的推出使研究导弹飞行器等非线性控制系统设计具有现实和长远意义。基于此种原因，为提高飞行控制器的可靠性和控制精度，本文采用TI公司的32位浮点DSP(TMS320F28335)为控制器核心，完成数字信号处理和导航解算，以及串口通信，数据采集和人机交换等任务。
2系统总体概述：飞行器控制系统是实现飞行器飞行过程控制的核心部件，主要包括DSP系统、电机驱动器、伺服电机、减速器、位置传感器、导航仪接口等。它可与导航仪进行通讯，采集舵面位置信号，进行控制算法计算、产生舵机控制信号（PWM）。本系统由上位机通过SCI串口向飞行控制器预置控制数据及导航仪中飞行器实时姿态数据、线性电位器上舵面实时位置信号以及上位机上预设的控制数据，共同组合后代入到的飞行控制算法中。通过主控制器处理后得到舵面位置数据，DSP输出PWM信号，输出到舵机驱动板卡实现对舵机舵面调整，进而实现对飞行器的控制。如图1硬件结构图：
图1 系统的硬件结构图
3系统硬件设计：
3.1：主控芯片的选择：
德州仪器（TI）公司DSP产品中TMS320F28X系列数字信号处理器内嵌32位DSP核，运算速度可达150MIPS,还具有丰富的外设，以及较强的运算、控制和通信能力，其在电力、汽车、航天、通讯、工业、医疗等方面得到广泛应用。本系统采用的是TI公司推出的新型浮点型数字信号控制器（TMS320F28335），具有32位单精度浮点运算单元（FPU），每秒可做300兆次浮点运算，可实现许多复杂的控制算法。与以往的定点DSP相比，该器件的精度高，成本低， 功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速，性能提高50%，快速傅立叶转化（FFT）等复杂计算算法性能提升了一倍之多。拥有足够的程序和数据空间，并且外设有丰富的接口，一个I2C总线，一个SPI口，16路12位A/D，三个SCI口等，使得系统外围电路的设计简化了，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本，同时有效地提高了整个系统的集成度。
3.2 舵面位置检测电路
系统控制精度是整个系统最重要的技术指标之一，系统的检测装置和输出控制元件一般决定了系统的控制精度。本系统的舵面位置检测器件选择精密导电电位计。舵面位置检测传感器其检测的原理示意图如图2所示。线性电位器的滑动端与减速器同轴相连，一旦舵面位置发生改变，线性电位器阻值产生线性变化，其电压发生相应线性变化。
图2 舵面位置检测的原理图
TMS320F28335具有16路ADC转换通道，采样精度为12位。但ADC输入通道的电压范围为0-3V，因此需将舵面位置偏转信号的范围调节至0-3V的范围内。本系统设计恒流源电路、二阶低通滤波电路、差分电路、同向放大电路实现电压范围的调整。恒流源的设计保证了传感器获得的电流恒定，防止了因传感器电流不稳定而导致采集舵面位置数据的不准确。将采集的数据通过二阶低通滤波电路，滤除外界干扰，增加系统的抗干扰能力；差分电路作用是减去恒流源对传感器拉升的电压。如图3：
图 3 舵面位置检测电路
3.3 串行通信接口(SCI)设计
为了保证对导航仪数据采集的准确性和实时性，所以使用RS-422通信协议采集导航仪数据。RS-422的数据传输采用差分平衡传输方式，抗噪声能力前，传输距离远，传输速度快和精度高等优点。采用SP3491芯片作为RS422的的全双工收发器，满足RS-422串行协议的要求，数据传输速率可达10Mbps(带负载)。F28335具有16位FIFO和波特率自检测功能。选用16为FIFO接收数据，每次可接收16位导航仪数据，提高接收速度和准确率。
人机通信使用RS-232通信协议，RS-232是目前PC机和通信工业应用最广泛的传信通信接口，采取不平衡传输方式，是为点对点通信设计的，驱动负载为3--7千欧姆，适合本地设备之间通信。RS-232串口芯片选用MAX232串口驱动芯片，是美信（MAXIM）公司为RS-232通信串口设计的电平转换芯片，使用+5v单电源供电。
选择接收中断收发模式进行通信，DSP在中端点扫描串口中断标志位，一旦发现接收标志位置位就取缓存数据，否则跳过执行其他命令，不需占用大量CPU时间，以及接收数据的完整，不丢帧。当有数据要发送给上位机时，将数据写入发送缓存，发送标志位置位DSP进入中断，数据发送。
3.4 舵机控制电路设计
TMS320F28335的ePWM模块产生4路PWM信号，4路方向信号。DSP输出的是3.3V逻辑TTL电平，因此在电路中加入74LV245芯片，一方面可防止电机驱动板对DSP芯片的反向电流，起保护主控制器的作用；另一方面此芯片还可以起到增大驱动能力的作用，使输出信号具有更大电流。从 DSP输出到74LV245的信号都属于数字信号,与电机驱动板电气没有直接联系。如果直接将数字驱动信号与电机驱动板共地并作为电机驱动板的输入，则电机驱动板对主控制器工作产生干扰，并降低系统抗干扰能力。因此采用光藕隔离的方法将主控制器与电机驱动板隔离。
3.5系统电源设计
飞行器所带DC-DC电源模块供电电压为36V和12V。其中36V为舵机系统供电；12V是为主控制系统供电。而在主控制系统中还需要5V、3.3V、1.9V电压，其中5V为系统内部分模拟器件电源供电，3.3V为本控制系统大部分数字芯片供电以及作为DSP外设工作电源，1.9V为DSP内核供电。其中5V是由12V通过LM7805电源管理芯片转换得到的，其输出电流可达到1A，可满足主控制系统的需要。TMS320F28335(DSP)对内部模块的上电顺序也有要求，首先必须对外设模块上电，等电压稳定之后，才能对TMS320F28335的内核进行上电，否则系统将无法正常工作。选用TI公司的TPS73HD301非线性电源芯片，其优点就是5V电压输入，3.3V产生200ms延时后1.9V产生，为TMS320F28335的上电顺序提供了保障[38]，输出电流可达1A，输出功率大，驱动负载能力强，而具有短路保护及热保护等功能。
4. 硬件测试结果
对硬件的检测是通过上位机向DSP发送命令，DSP接到指令，在规定的时间内开始自检。DSP自检包括接收导航仪数据、转动舵机舵面及调节舵面归零位置、AD中断采集舵机舵面位置和电源电压。通过对AD采集的舵面位置的数据比较，判断舵机是否正常及舵面是否到达零位置。DSP将自检结果传输给上位机，上位机界面显示正常。如图4：
图4 上位机测试界面
5 结语：
系统设计实现了以TMS320F28335处理器为控制核心，使用SCI串口为通讯方式，采用独立的四路EPWM输出方法，运用12位AD采集舵面位置信号的控制系统。该系统充分利用了TMS320F28335高速运算处理能力以及其丰富的外部接口特点，简化了电路设计的难度，提高了可靠性。在硬件设计的整个过程中，系统控制器集成化，小型化，并且注重可靠性和抗干扰能力，实现了飞行器控制系统对硬件功能要求。
参考文献：
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[4] 姜杨,薛艳峰,陈剑涛.某型无人机飞控系统设计与实现[J].计算机测量与控制,2009.
[5] 雷晓瑜,曹广忠.TMS320F28335及其最小应用系统设计[J].电子设计工程,2009.
[6] 张磊，基于DSP的飞行器控制系统设计与研究[D].西安工业大学，2012.
The controling system hardware design Based on DSP
Ni Yuan Ren Zhanpeng
(School of Electronics & Information Engineering Xi'an Technological University)
Abstract: This study a hardware Based on TMS320F28335 DSP ( Digital Signal Processor ) of the digital flight control system hardware design, analyzes its structure: the main controller circuit, the rudder position detection circuit and communication hardware circuit design. After many experiments, the design of hardware system can meet the requirements of vehicle performance.
Keywords: DSP; TMS320F28335; control system; aircraft
