基于双ARM的飞控计算机核心系统的研究与设计

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飞行控制计算机是无人机飞行控制系统的核心部分。随着无人机飞行包线的扩大以及任务环境的愈加复杂,对飞行控制计算机的硬件平台和软件平台的性能提出了新的更高要求,其性能的好坏直接决定着无人机能否可靠地完成飞行任务。论文针对小型无人机,采用LPC3250ARM微处理器作为飞行控制计算机的处理器,为无人机飞行控制计算机设计一款小型化、高性能的数字式核心系统。论文研究的无人机飞行控制计算机核心系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分,以双ARM处理器为中心,设计电源电路、存储电路、时钟电路、复位电路等双CPU辅助电路,并根据无人机任务需求,完成模数转换模块(AD)、数模转换模块(DA)、异步串行通信接口模块(UART)、离散量I/O模块(DIO)的扩展和双CPU通信模块的设计;软件部分,为双核系统移植实时操作系统,并在实时操作系统下完成各模块的驱动程序设计以及提出飞行控制软件的设计原则。首先,论文分别介绍飞行控制计算机的硬件、软件组成和国内外发展现状。针对硬件存在的核心板依赖进口、成本高、维护不方便等不足,提出采用ARM处理器和基于双核架构的硬件设计;针对飞行控制软件的设计和移植的容易性,提出基于μC/OS—Ⅱ实时内核的软件设计方案。文中对飞行控制计算机的任务进行飞控与导航分类,基于双核架构的核心系统一片CPU用于飞行控制,一片CPU实现导航解算,从而为无人机提供高速的数据处理速度和强大的任务控制能力。硬件设计方面,以小型化、通用性好为原则,采用“最小系统+外围接口”的设计方法,完成最小系统和外围接口各硬件电路的原理图设计和PCB制板。最小系统集成了双CPU的辅助电路,外围接口包括A/D、D/A、UART、DIO以及双CPU通信模块等资源;软件设计方面,以实时、多任务、飞行控制软件移植性好为原则,为双核系统移植μC/OS—Ⅱ实时操作系统,详细介绍了移植步骤,并在μC/OS—Ⅱ下完成各接口资源的驱动程序设计以及探讨飞行控制软件的设计原则。最后,在ADS1.2集成开发环境下,对μC/OS—Ⅱ移植代码和各接口的驱动程序进行测试,并对测试结果进行分析,找出其中存在的问题,使各接口正常工作;同时,搭建双核系统测试硬件平台,对双核系统在双端口RAM下的数据通信的实时性和可靠性进行测试,验证硬件设计和软件设计的可行性和准确性。本课题最终证明基于双ARM的飞行控制计算机核心系统稳定性好、可靠性高,为后续完整的双核飞行控制计算机系统的研究奠定了基础。
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