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无人机论文数字信号处理器论文 摘要：该文根据无人机对可靠性的要求，结合工程实践，详细介绍了一种双冗余飞行控制计算机系统的总体设计和具体实现方案。本系统在以tms320f2812数字信号处理器为核心的成熟飞控计算机基础上，加入一套硬件相同且功能相似的飞控计算机并添加少量硬件及软件模块，以较小成本大大提高飞控计算机的可靠性。文中分别对该系统软硬件的核心部分进行了详细描述，该方法实施简单，易移植和工程化，具有较好的通用性。 近年来，随着各种航空和电子技术的发展，使无人机在性能上得到突飞猛进的发展。随着无人机飞行功能的日益增多，任务要求越来越复杂，使飞行控制系统变的越来越复杂，从而出现故障频率越来越高，因而其核心飞控计算机的可靠性问题变的日益突出，进而对其容错研究成为当今的热点。该文中飞控计算机的设计基于ti公司开发的一款32位dsp芯片tms320f2812(以下简称f2812)，同时利用双机冗余技术来提高飞控计算机可靠性。 1 双冗余飞控计算机系统的工作原理 spi总线进行通信，判断输入信号的对错，然后分别进行各自控制律的解算，同样对解算的结果进行监控表决，若结果正常则进行下一步处理，否则发现故障则主飞控计算和副计算机分别进行故障诊断和故障定位，最终确定故障飞控计算机并将它隔离，同样在两个飞控计算机之间，每隔一定的时间通过spi总线相互通信。若某一通道发生了永久性故障，则由飞控计算机内部的仲裁模块进行通道的切换控制[1]。 2 双冗余飞控计算机系统的硬件设计 1所示。 2.1 模拟信号的接收 ad采样获得垂直陀螺提供的飞机姿态信息（俯仰角和滚转角）及角速率陀螺提供的滚转角速率、俯仰角速率和偏航角速率信号。无人机的电池电压及机上所携带的火工品状态也需要飞控计算机经过ad采用获得。根据经验和实践，双冗余飞控计算机模拟信号的输入电路可直接驱动两路输出电路，也就是在现有的输入电路中dsp芯片f2812上集成了adc模块，该模块包括一个12位adc核，内置双采样保持器，可输入电压范围为0～3v[3]，其最高采样带宽12.5msps，能快速进行adc转换，但是由于被采集信号的电压特性不同，在被采集之前需要先经过信号调理。 2.2 串口通信 gps接收机、气压高度传感器、测控设备和空速传感器对外接口都是串口[2]，而f2812处理器本身仅提供两个串行通信接口，远不能满足飞控计算机系统与多外设的通讯需f2812进行串口扩展。f2812串口扩展电路主要由cpld、串口扩展芯片、485接口转换芯片三部分组成，其原理框图如图2所示。cpld基于f2812分配好的地址，完成片选地址译码及串口扩展芯片stc16c554的中断控制与分配，cpld的内部程序通过vhdl语言来实现[4]。 2.3 切换电路 control_z(主飞控计算机的控制信号)来抢占输出，同时副飞控计算机可以通过control_f(副飞控计算机的控制信号)来抢占输出，只能让工作正常的计算机来控制输出，当然两个飞控计算机需要通过各自内部的软件进行判断，不能同时让两个飞控计算机同时抢占输出，防止“死锁”现象的发生。切换电路原理图如图 3所示。两个飞控计算机发来的信号经过一个“与”门最终产生输出的最终控制信号，此控制信号分别接两个三组二选一coms高速模拟开关cd54hc4053的控制端。如果主飞控计算机无故障，副飞控计算机无论有无故障，都将切换至主飞控计算机输出。如果主飞控计算机有故障而副飞控计算机无故障时，将切换至副飞控计算机输出。但是如果两个计算机均有故障，整个飞控计算机系统将不能正常工作。 3 双冗余飞控计算机系统的软件容错设计 [5]，所以本系统采用dsp/bios开发ti公司的dsp系统，dsp/bios是一种可根据用户的需要剪裁的实时操作系统，此操作系统的应用可以方便快捷的开发复杂的dsp的程序。本飞[6]，允许一次故障安全，当处于工作状态的系统中一个或多个关键部分发生故障或出错时，首先进行检测并诊断，然后采取相应措施保证系统维持其规定功能或保持其功能在可接受的范围内。系统软件主要由时钟同步、表决技术、故障检测等模块组成。对于双冗余飞控计算机系统来说，由于系统受限于两余度，利用两个飞控计算机的主控单元通过比较监控方式发现故障比较容易，但是无法鉴别出故障单元，因此需要借助传感器、计算机以及总线控制器等自检测结果与比较监控的结果相结合来定位故障。系统工作信号的表决受监控策略/表决，输出命令的监控/表决，系统的在线自检测，故障逻辑处理。系统软件流程图如图4所示。 3.1 时钟同步技术 cpld内部自模拟的时钟信号与gps接收机输出的秒脉冲信号进行同步，然后分频获得。cpld的内部逻辑是通过硬件编程语言vhdl实现的，为了更好的说明问题，画出实时时钟逻辑示意图如图 5所示。时钟同步中断例