嵌入式无人机控制系统硬件电路 —电路图天天读（146）

　　在无人机飞行控制系统中，飞行控制器是其核心部件，它负责飞行控制系统信号的采集、控制律的解算、飞机的姿态和速度，以及与地面设备的通讯等工作。随着无人机越来越广泛的应用，它所完成的任务也越来越复杂，对无人机的机动性要求也越来越高，这就要求无人机的控制核心向高集成度和小型化方向发展。本文以586-Engine 嵌入式芯片为核心，设计了某型无人机的飞行控制器。基于AMD Elan SC520处理器的微控制模块，具有高可靠性、结构紧凑以及低功耗等特点，它同时具有功能强大的调试软件。586-Engine的主要参数指标如下：

　　（1）CPU为32位AMD Elan SC520，主频为133MHz;（2）具有高性能的浮点运算单元，支持正弦、正切、对数等复杂运算，非常适合需要复杂运算的应用。（3）配置512KB 的SRAM，512KB的Flash，114字节内部RAM;（4）支持15个外部中断。共有7个定时器，包括一个可编程内部定时器，提供3个16位内部定时器和3个16位GP定时器，再加上一个软件定时器。这些定时器支持外部事件的计时和计数。软件定时器提供微秒级的硬件时间基准。（5）提供32路可编程I/O，2个UART.共有19路12位A/D输入，包括11路ADC串行输入和8路并行ADC，转换频率为300kHz；6路D/A输出，包括2个串行输出DAC和4个输出并行12位DAC，转换频率为200kHz。（6）工作温度为-40℃~80℃，尺寸为91.4mm&TImes;58.4mm&TImes;7.6mm。

　　飞行控制器硬件设计

　　该型无人机是为海军野战部队提供通讯中继用途的中型轮式无人机，其飞行控制器是一个单独装箱的小型航空机载电子设备，由DC/DC直流电源变换板、计算机主机板、模拟量通道板、开关量通道板和舵机控制板组成，全部模板通过母板上的总线方式连接，以减小尺寸，提高集成度。

　　该飞行控制器需要与GPS、磁航向计和无线电高度表等进行通讯，共需5个串口。而586-Engine主板只提供2个串口，分别供地面检测和测控电台使用，因此需要进行串口扩展。串口扩展电路如图3所示。

　　串口扩展电路中采用TL16C754四通道UART并-串转换器件，将8位并行数据转换成4路串行输出，外加MAX202和MAX489电平转换芯片，扩展了2个RS232串口和2个RS422串口，可满足飞行控制器的硬件需求。

　　D/A转换硬件电路设计

　　此型无人机采用模拟舵机，共需6路D/A通道产生PWM信号来驱动舵机。586-Engine主板总共提供8路D/A，其中4路12位并行 D /A（DA7625）分别控制升降舵机、左右副翼舵机和方向舵机，2路12位串行D/A（LTC1446）控制前轮舵机和油门舵机。由于DA7625的输出电压范围为0~2.5V，LTC1446输出电压范围为0~4.096V，而舵机工作电压为-10~10V，因此需要对信号进行放大和电平平移。D/A 电平平移电路如图所示。

　　由图可知，D/A电平转换原理是在运放输入端采用加法电路，将输入信号与基准电平比例相加，得到适合采样的电压范围。关于A/D采集，586-Engine主板上自带的19路12位的A/D接口完全满足飞控系统通道数和转换精度的要求，这些A/D接口分别采集气压高度表的数据，无人机机载电压、发动机转速和温度、油门开度等。这些信号发往地面测控计算机，为操作人员对无人机工作状态进行监控提供了基础。关于I/O控制，586- Engine主板上提供了32个16位可编程数字I/O口，用于采集发动机启动信号、伞舱打开信号等，并输出开关量信号控制其它设备，控制无人机起飞与回收过程。

　　电源模块硬件电路设计

　　飞行控制器的电源模块电路给飞行控制器提供干净稳定的供电电压，用来保证飞行控制器正常工作。电源模块电路的设计好坏直接影响飞行控制器运行的稳定性和可靠性。该型无人机由于对尺寸有一定的要求，同时考虑到可靠性与成本，因此在设计时选用了成熟的标准模块电源，外接少量器件即可工作。飞行控制器供电模块电路如图5所示。

　　其中，采用24T05D12模块电源作为供电电路的主芯片，提供的功率为30W，输入电压范围为18V~36V，具有三路电源输出：+5V 和±12V，为机载传感器和舵机进行供电。嵌入式芯片的使用，减小了飞行控制器的体积与重量，实现了飞行控制器小型化、高集成度的设计目标；自行设计的串口扩展电路、舵机控制板等降低了研制成本，满足了项目需求方的要求。可以预见，586-Engine特有的功能以及较高的性价比将在无人机飞行控制领域得到广泛的应用。

　　无人机相比较卫星和载人航空飞机遥感平台而言，具有成本低、灵活性高的特点。为了满足科学遥感实验、完成遥感作业任务、协调无人机电子吊舱中多组件工作、控制遥感影像传感器姿态，系统以AT89S52为主控芯片，扩展多路串口及USB接口以实现系统与外围设备的通信，同时设计了相机驱动模块及三自由度步进电机驱动模块。通过无人机航空遥感实验证明该系统能够满足遥感实验要求。

　　USB接口扩展电路设计

　　USB口扩展由CH375芯片实现。CH375是USB总线的通用接口芯片。它的主要特点是价格便宜、接口方便、可靠性高。支持 USB-HOST主机方式和USB-DEVICE／SLAVE设备方式。CH375的USB主机方式支持常用的USB全速设备，外部单片机需要编写固件程序按照相应的USB协议与USB设备通信。但是对于常用的USB存储设备，CH375的内置固件可以自动处理Mass-Storage海量存储设备的专用通信协议，通常情况下，外部单片机不需要编写固件程序．就可以直接读写USB存储设备中的数据。CH375和单片机的通信有2种方式：并行方式和串行方式。USB扩展电路原理图如图3所示，CH375芯片设置为内置固件模式，使用12 MHz晶体。单片机P0口与CH375的D0～D7相连作为数据总线，译码器输出CH375的相连片选该芯片，单片机A0与CH375的A0相连，可选择CH375的地址或是数据输入与输出。当A0为高电平是D0～D7的传输的是地址，低电平时传输的是数据。P3．6和P3．7分别控制CH375的读写操作。CH375接单片机输入端，当有数据通过USB口输入时产生中断信号，通知单片机进行数据处理。当CH375芯片初始化后并成功与主机连通之后，指示灯亮。

　　步进电机驱动电路

　　稳定云台控制即为三自由度步进电机控制，即控制遥感传感器的俯仰角、横滚角和航向角使稳定云台保持水平（或垂直）状态。步进电机驱动由THB6128芯片实现，单片机只需输出步进电机运行方向和脉冲信号即可达到控制步进电机的目的。

　　THB6128是高细分两相混合式步进电机驱动专用芯片，通过单片机输出控制信号，即可设计出高性能、多细分的驱动电路。其特点为双全桥 MOSFET驱动，低导通电阻Ron=0．55 Ω，最高耐压36 V，大电流2．2 A（峰值），多种细分可选，最高可达128细分，具有自动半流锁定功能，快衰、慢衰、混合式衰减3种衰减方式可选，内置温度保护及过流保护。图4为航向角步进电机驱动电路，俯仰角、横滚角步进电机驱动与之相同。图中CP1与U／D分别为单片机给出的驱动脉冲与电机运行方向控制信号。M1，M2，M3为电机驱动细分数选择信号输入，由拨码开关人为控制。FDT1与VREG1分别为衰减模式选择电压与电流控制电压输入端。当3．5 V时为慢衰减模式；当为混合衰减模式；当FDT1《0．8 V时为快衰减模式。调整VREG1端电压即可设定步进电机驱动电流值。

　　CCD／相机驱动电路设计

　　CCD／相机驱动由单稳态触发器74LS221和光耦合器P521实现。74LS221既可以下降沿触发也可上升沿触发，且都可以禁止输出。其输出的脉宽通过内部补偿获得而不受外部电压和稳定影响，在大多数应用中，脉宽只由外接的时控元件决定。CCD／相机驱动电路如图5所示。图示参数的单稳态触发器高电平持续时间约为33 ms，可根据相机的实际曝光时间的需要，改变电路的充电时间常数RC来调节稳态时间的长短。图中Camera为单片机P3．5口，当其为下降沿时，触发单稳态触发器输出高电平，此高电平作用于光耦合器P521的二极管端，从而触发三极管端导通，进而触发相机快门。P521的输出端串接一个10kΩ的电阻，防止导通时电流过大而损坏相机。

　　数据存储模块由AT24C512实现，单片机P3．0，P3．1口分别与AT24C512的SCL、SDL端口相连，并接入上拉电阻，模拟 I2C总线扩展 64 KB E2PROM数据存储器。SRAM扩展由IDT6116SA芯片实现，扩展2 KB用于缓存单片机计算过程中的临时数据。系统输入电压为12 V直流电，电源模块采用7805与7805两片三端稳压器串接，降低单片稳压器两端的压降，获得平稳的+5 V电压。

　　通过实验证明本系统可以较好的满足无人机航空遥感平台机载作业控制的要求，可以协调电子吊舱的各个组件工作，控制相机的姿态，实时下传机载作业数据，使用的I／O口较少，USB接口的扩展解决了当前许多笔记本电脑不具备COM口的问题，在野外实验时亦可及时的处理作业系统中的照片信息数据。单片机仍还有较多的资源可以利用，可方便系统的升级，但同时也受到微处理器数据处理能力的限制。