無人機控制系統(tǒng)核心硬件

ARM-CortexM4架構(gòu)ARM-CortexM4架構(gòu)：無人機控制系統(tǒng)可以采用基于ARM系統(tǒng)架構(gòu)的嵌入式處理器來實現(xiàn)，本次重點基于ARM-CortexM4架構(gòu)的無人機飛控系統(tǒng)。ARM是32位嵌入式微處理器的行業(yè)領(lǐng)先提供商，到目前為止，已推出各種各樣基于通用體系結(jié)構(gòu)的處理器，這些處理器具有高性能和行業(yè)領(lǐng)先的功效，而且系統(tǒng)成本也有所降低。基于ARMv7架構(gòu)以上的Cortex系列主要分為A（應(yīng)用處理器）、R（實時處理器）、M（微控制器）三大應(yīng)用系列。其中Cortex-M系列處理器主要是針對微控制器領(lǐng)域開發(fā)的，在該領(lǐng)域中，既需進行快速且具有高確定性的中斷管理，又需將邏輯門數(shù)和功耗控制在最低。Cortex-M處理器是一系列可向上兼容的高能效、易于使用的處理器，這些處理器旨在幫助開發(fā)人員滿足將來的嵌入式應(yīng)用的需要。這些需要包括以更低的成本提供更多功能、不斷增加連接、改善代碼重用和提高能效ClassicARMProcessorsEmbeddedCortexClassicARMProcessorsEmbeddedCortex曲笛幻C造凸年ApplicationmPreccssoirCorjex-ABARMY[Cc?rcex.-M4ARM9[Cortcx-M11AR.M7Cortex-MOAR.M7Cortex-MO大范圍的MAC指令大范圍的MAC指令32或64位累加選擇指令在單個周期中執(zhí)行單周期SIMD運算單周期雙16位MACCapabilityARM-Cortex的特點：更低的功耗：以更低的MHz或更短的活動時段運行，基于架構(gòu)的睡眠模式支持，比8/16位設(shè)備的工作方式更智能、睡眠時間更長更小的代碼（更低的硅成本）：高密度指令集，比8/16位設(shè)備每字節(jié)完成更多操作，更小的RAM、ROM或閃存要求易于使用：多個供應(yīng)商之間的全球標準，代碼兼容性，統(tǒng)一的工具和操作系統(tǒng)支持更有競爭力的產(chǎn)品：PowerfulCortex-Mprocessor，每MHz提供更高的性能，能夠以更低的功耗實現(xiàn)更豐富的功能硬件體系結(jié)構(gòu)單周期16、32位MAC硬件體系結(jié)構(gòu)用于指令提取的32位AHB-Lite接口用于數(shù)據(jù)和調(diào)試訪問的32位AHB-Lite接口

4路并行8位加法或減法2路并行16位加法或減法指令在單個周期中執(zhí)行4路并行8位加法或減法2路并行16位加法或減法指令在單個周期中執(zhí)行2路并行16位MAC運算32或64位累加選擇指令在單個周期中執(zhí)行其他飽和數(shù)學(xué)桶形移位器浮點單元符合IEEE其他飽和數(shù)學(xué)桶形移位器單精度浮點單元用于獲得更高精度的融合MACCortex-M4處理器是針對于微控制器市場而設(shè)計，其中具有的特性有：Cortex-M4是一個32位處理器內(nèi)核內(nèi)部的數(shù)據(jù)路徑是32位的，寄存器是32位的，存儲器接口也是32位的采用哈佛架構(gòu)小端模式和大端模式都是支持的Thumb指令集與32位性能相結(jié)合的高密度代碼針對成本敏感的設(shè)備Cortex-M4處理器實現(xiàn)緊耦合的系統(tǒng)組件，降低處理器的面積，減少開發(fā)成本ROM系統(tǒng)更新的代碼重載的能力該處理器可提供卓越的電源效率飽和算法進行信號處理硬件除法和快速數(shù)字信號處理為導(dǎo)向的乘法累加集成超低功耗的睡眠模式和一個可選的深度睡眠模式快速執(zhí)行代碼會使用較慢的處理器時鐘，或者增加睡眠模式的時間為平臺的安全性和穩(wěn)固性，集成了MPU（存儲器保護單元）Cortex-M4內(nèi)部還附贈了好多調(diào)試組件，用于在硬件水平上支持調(diào)試操作，如指令斷點，數(shù)據(jù)觀察點等有獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，可以讓取指與數(shù)據(jù)訪問并行不悖2.1.3基于ARMCortex-M4內(nèi)核的微控制器ARMCortex-M4內(nèi)核是微控制器的中央處理單元（CPU），配合外圍設(shè)備模塊和組件，形成完整的基于Cortex-M4的微控制器。在芯片制造商得到Cortex-M4處理器內(nèi)核的使用授權(quán)后，它們可以將Cortex-M4內(nèi)核用在自己的硅片設(shè)計中，添加存儲器，外設(shè)，I/O以及其它功能塊。不同廠家設(shè)計出的單片機會有不同的配置，包括存儲器容量、類型、外設(shè)等都各具特色。由于基于統(tǒng)一的內(nèi)核架構(gòu)，事實上本書后面所介紹的飛控軟件和算法雖然已ST的STM32F407為基礎(chǔ)，它們是很容易移植到其他公司的同內(nèi)核平臺芯片上的，很多與外設(shè)無關(guān)的代碼部分不需要任何改變即可移到其他平臺上，僅需要關(guān)注外圍設(shè)備相關(guān)部分的驅(qū)動代碼。飛思卡爾（現(xiàn)并入恩智浦）基于ARMCortexM4內(nèi)核的KinetisK60微控制器系列。Kinetis微控制器組合產(chǎn)品由多個基于ARM@CortexTM_M4內(nèi)核且引腳、外設(shè)和軟件均兼容的微控制器系列產(chǎn)品組成。ST基于ARMCortex-M4內(nèi)核的STM32F4微控制器系列，具有高達168MHz的主頻，以及在此主頻工作下的基準測試功耗為38.6mA

TI基于ARMCortex-M內(nèi)核的新型低功耗、浮點StellarisCortex-M4F微控制器系列恩智浦半導(dǎo)體NXPSemiconductorsN.V.推出LPC4000微控制器，該系列產(chǎn)品采用ARMCortex-M4和Cortex-M0雙核架構(gòu)的非對稱數(shù)字信號控制器由ARM祖計相試系玩時鐘用號位由芯片制潔商設(shè)葉開發(fā)C*rtew-M內(nèi)懦C&rtev.M芯片內(nèi)自陶線- ATMEL(AtmelCorporation)基于由ARM祖計相試系玩時鐘用號位由芯片制潔商設(shè)葉開發(fā)C*rtew-M內(nèi)懦C&rtev.M芯片內(nèi)自陶線- JULJLILJLJLjUIJULJ-jUUUUIJlJUZSTM32F4系列微控制器微控制器意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)推出的基于ARMCortex-M4F系列的微控制器采用了一發(fā)半導(dǎo)體最新的NVM工藝和ART加速器TM，處理性能可以達到1.25DMIPS。集成了新的DSP和FPU指令210DMIPS@168MHz由于采用了ST的ART加速器，程序從FLASH運行相當于0等待多達1MBFLASH192KbSRAM：128KB在總線矩陣上，64KB在專為CPU使用的數(shù)據(jù)總線上支持SWD2線調(diào)試接口高級外設(shè)接口:USBOTG高速480Mbit/sIEEE1588，以太網(wǎng)MAC10/100PWM高速定時器：168MHz最大頻率加密/哈希硬件處理器：32位隨機數(shù)發(fā)生器(RNG)帶有日歷功能的32位RTC：<1uA的實時時鐘，1秒精度低電壓：1.8V到3.6VVDD,在某些封裝上，可降低至1.7V全雙工I2S12位ADC：0.41us轉(zhuǎn)換/2.4Msps(7.2Msps在交替模式)高速USART,可達10.5Mbits/s高速SPI,可達37.5Mbits/sCamera接口，可達54M字節(jié)/s針對無人機飛控系統(tǒng)所使用的外設(shè)模塊和硬件接口并不需要很多，基本的主要有以下幾種：I2CUARTSPIPWM輸入捕獲和輸出比較AD模數(shù)轉(zhuǎn)換SWD/JTAG調(diào)試口GPIO>reniii”劇■口也ARMC4M12K-NHGPU168MHE5l2Kfi：1MrfTFId5M日?**i/訊/，■用g?口>reniii”劇■口也ARMC4M12K-NHGPU168MHE5l2Kfi：1MrfTFId5M日?**i/訊/，■用g?口/㈱artaat.511?三阿再?一鎮(zhèn)報功能外時存q.RAiaHOWHAHDCFJULCD#*通牡2.3飛行控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計與原理飛行控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計與原理遙控接收機接口比例遙控器有兩種編碼模式PCM和PPM，而遙控器的接收機的輸出則對應(yīng)

著三種接口類型，一種是PWM通信接口，一種是PPM通信接口，一種是S-bus。什么是PWM？PWM又稱脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，是利用微處理器的數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。在多旋翼無人機系統(tǒng)中，PWM的主要作用是用來控制電機與表示遙控器信號；一般由遙控接收機接收到PPM信號后，接收機內(nèi)部解碼出每個通道的控制量，然后按照PWM信號重構(gòu)每個通道并輸出到飛控控制系統(tǒng)中。通過讀取下圖的恒定脈沖周期中的可變脈沖寬度來進行遙控器發(fā)送數(shù)據(jù)的判定，進而達到控制無人機的作用。PWM信號的優(yōu)點：? 傳輸過程高電平采用全電壓傳輸，非0即1，具有數(shù)字信號的特性，即可以擁有數(shù)字信號的抗干擾能力。

 脈寬的寬度是可以連續(xù)調(diào)節(jié)的，因為這它是傳輸?shù)倪B續(xù)模擬信息。? PWM信號的產(chǎn)生和采集解析比較簡單，只需要一定的數(shù)字電路或者定時 脈寬的寬度是可以連續(xù)調(diào)節(jié)的，因為這它是傳輸?shù)倪B續(xù)模擬信息。? PWM信號的產(chǎn)生和采集解析比較簡單，只需要一定的數(shù)字電路或者定時器即可，基本不需要占用CPU的運算邏輯資源。? 傳輸?shù)男盘柫颗c電壓本身無關(guān)，因此對電壓上的噪聲紋波等不敏感。PCM脈沖編碼調(diào)制是PulseCodeModulation的縮寫。脈沖編碼調(diào)制是數(shù)字通信的編碼方式之一。主要過程是將話音、圖像等模擬信號每隔一定時間進行取樣，使其離散化，同時將抽樣值按分層單位四舍五入取整量化，同時將抽樣值按一組二進制碼來表示抽樣脈沖的幅值PCM信號編碼過程：PCM信號編碼過程為：模擬信號->單位時間采樣->量化-》編碼，其原理過程可以參考右圖所示T?進制二進制俄則捏川部據(jù)昨卷序o-i?ihorT?進制二進制俄則捏川部據(jù)昨卷序o-i?ihor1?JII')iriioIo?Voi-?T什么是S-bus接口？S-bus信號接口，這是日本雙葉電子工業(yè)株式會社（Futaba）所定義的一種遙控器專用串行總線，它實際上是一種數(shù)字總線，采用數(shù)字傳輸方式，這樣可以非常方便的在嵌入式系統(tǒng)中適配，并且抗干擾性大大提高。由于S-bus是一種總線，這意味著一套總線可以擴展連接多個舵機設(shè)備，而不需要消耗過多的物理連線。S-bus的接口物理層實際上是符合通用串行通信口的標準，丁北電平，使用負邏輯（即低電平是邏輯“1”，高電平是邏輯“0”），波特率使用標準100K；其數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如下圖所示數(shù)據(jù)幀字節(jié)序列 o口：表示數(shù)據(jù)幀的頭部，其數(shù)據(jù)默認是0B11110000（二進制表達式）122：總共有22個字節(jié)（176?）,17后位總其分成H16數(shù)據(jù)通訊通僧d每個通訊通道占U.個位，取值范圍C0^2047）23:數(shù)字通道和功能字節(jié)二幀字節(jié)介紹Bitrm-保留幀字節(jié)介紹Bit4—失效保護使能位Bil5-丟幀信息,相當F接收機的紅燈同6-數(shù)據(jù)通道第的數(shù)據(jù)Bit7-數(shù)字通道"的數(shù)據(jù)24:表示數(shù)據(jù)幀尾，其數(shù)據(jù)默認是OBOOOO00002.3.2電調(diào)輸出接口飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)一般是無刷直流電機或者空心杯電機，對于無刷直流電機需要通過電子調(diào)速器（1.5.4節(jié)）進行驅(qū)動，因此飛控系統(tǒng)通過控制輸出PWM信號控制電子調(diào)速器，從而控制電機轉(zhuǎn)速。在“光標”飛控系統(tǒng)中，硬件上采用了STM32F407處理器的8路TIM輸出PWM通道。采用TIM的輸出比較模式（OutputCompare）直接控制PWM定時器輸出，這樣的好處是輸出控制信號無需消耗CPU的運算資源。2.3.3傳感器接口2.3.3傳感器接口一般市面上的飛控系統(tǒng)上集成的板載傳感器主要6軸MEMS微機械傳感器，即加三軸速度計和三軸陀螺儀，三軸磁力計，氣壓高度計，這種配置稱為10DOF（degreesofthefreedom）。光標飛控中采用的陀螺儀加速度計是集成一體的芯片MPU6050；MPU6050提供了SPI接口和I2C接口兩套總線訪問方式。在光標飛控中為了能夠共享總線，采用了I2C總線接口。將MPU6050掛載在I2C1總線上。氣壓高度計是通過測量大氣壓力來間接獲取氣壓高度的傳感器，本例采用飛思卡爾（現(xiàn)恩智浦）半導(dǎo)體公司的MPL3115氣壓高度計來實現(xiàn)該數(shù)據(jù)的測量。其內(nèi)部集成了一個微機械的氣壓傳感器，配備一個24位高精度ADC模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，并采用I2C接口總線與主機連接。磁力計是通過芯片內(nèi)部的微磁性材料來測量空間3維的磁場強度的傳感器，在“光標”飛控中主要采用的是霍尼韋爾公司的HMC5883L來進行測量，也是通過I2C總線外掛的，如圖2-15所示。“光標”飛控通過可選貼的0歐姆電阻來選擇磁力計掛在MPU6050的I2C從設(shè)備總線上，或者直接與MPU6050共享STM32主芯片的I2C總線GNSS接口GNSS（GlobalNavigationSatelliteSystem）全球?qū)Ш叫l(wèi)星位系統(tǒng)主要包含美國的GPS全球定位系統(tǒng)，俄羅斯的Glonass，歐洲的Galileo,中國的Beidou衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以及一些區(qū)域增強系統(tǒng)等無人機在室外無人自主駕駛飛行時候必須要通過GNSS系統(tǒng)來獲得自己的位置信息，同時計算與規(guī)劃航線之間的關(guān)系，并轉(zhuǎn)換成飛行器的控制信號，從而控制飛行器按照既定的飛行路線飛行。因此飛控系統(tǒng)一般都集成有GNSS模塊的接口。GNSS模塊一般都采用標準串口（波特率57600）與主控設(shè)備互聯(lián)。SWD調(diào)試口SWD，全稱SerialWireDebug，即串行總線調(diào)試口，是ARM公司在CoreSight調(diào)試訪問接口技術(shù)中定義的2線制的調(diào)試規(guī)范，SWD接口比傳統(tǒng)處理器調(diào)試接DJTAG規(guī)范（需要5個引腳）的優(yōu)勢非常明顯，它占用較少的芯片引腳，同時提供高速的調(diào)試性能，尤其對于僅有較少引腳封裝體積較小的微控制器系列SWD模式比JTAG在高速模式下面更加可靠。在大數(shù)據(jù)量的情況下面JTAG下載程序會失敗，但是SWD發(fā)生的幾率會小很多。在調(diào)試仿真的時候用J-LINK的Cortex-M4方式已經(jīng)足夠，并且在MDK下的功能已經(jīng)做得非常的好，用標準20腳的JTAG下載，速度是非常的快，一般初學(xué)者都是這樣做的。但是SWD方式似乎速度更快、更加方便、簡捷、，對于項目中對板子空間要求嚴格、I/O口資源緊張的用戶來說更加的有利，正常的JTAG需要20管腳，而J-Link的SWD只需要2根線（SWDIO、SWCLK）就夠了（加上電源線也就4根），這樣就節(jié)省了3jI/O口仃1口入JTDO、JNTRST）為其它所用，并且可節(jié)省一部分板子的空間僅占用兩個接口，時鐘線CLK和數(shù)據(jù)線DIO可以與芯片內(nèi)部的JTAGTAP控制器通信并測試能夠作為芯片內(nèi)部的AMBA總線的主設(shè)備訪問系統(tǒng)內(nèi)存空間和外設(shè)以及調(diào)試寄存器高性能的傳輸速率-4MBytes/sec@50MHz低功耗-不需要額外供電超聲波接口超聲波接口采用串口通訊引腳接口，其中串口通訊端口分別標記為TX（數(shù)據(jù)發(fā)送端口）與RX（數(shù)據(jù)接收端口）系統(tǒng)供電在無人機飛控系統(tǒng)中有很多種供電模式和方式，例如可以通過帶有BEC功能的電子調(diào)速器模塊可以直接輸出5V直流電源，還有專用的電源模塊可以直接從2s?6s（7.4V?22.2V，詳細見1.5.3節(jié)介紹）的無人機電池直接轉(zhuǎn)換，采用電源模塊的好處是高級電源模塊還配備了電壓和電流采樣電阻，可以實時獲取電池的供電電壓以及全系統(tǒng)的電流功耗等數(shù)據(jù)，如圖2-21所示。除以上兩種方式外，“光標”飛控模塊還配備了直接通過SWD接口和U轉(zhuǎn)串口模塊接口取電的方式。為了防止同時從幾個口接入電源導(dǎo)致倒灌，可使用跳線進行電源接口的選擇。下圖為“光標”飛控的電路電源拓撲圖|“「機,口 TOC\o"1-5"\h\z[一wesc 忸]|tt 、 WLDOJ SEKSORI電源E]_J-' , qLDO-11 qh：DEBl；G] ｛跳各」| [ 3& ]遙測數(shù)傳在飛控系統(tǒng)中為遙測數(shù)傳模塊采用串行通信口連接?！肮鈽恕憋w控采用STM32系統(tǒng)的UART3串口作為遙測數(shù)傳模塊接口，并且采用與APM及PixHawk等開源飛控系統(tǒng)兼容的接口定義。其他功能和拓展接口飛行控制系統(tǒng)一般還需要提供各種其他的功能和擴展接口，比如用到保存系統(tǒng)的傳感器校準參數(shù)的EEPROM、使用L