基于at91m55800无人机飞行控制系统设计与实现

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1、基于AT91M55800的无人机飞行控制系统设计与实现摘要:本文介绍了ATMEL公司的ARM7处理器AT91M55800A的性能特点，给出了基于AT91M55800A处理器的无人机飞行控制系统的设计原理和控制策略，介绍了基于μC/OS-II实时操作系统的飞行控制软件的功能模块和任务划分方法，着重说明了各个任务之间的任务调度策1  引言随着科学技术的发展以及军事战略思想的转变，无人机在军事、民用等领域获的应用越来越广泛。无人机的飞控计算机向着高精度和小型化方向发展。高精度要求无人机的制导控制精度高，能够适应复杂的外界环境。小型化则对控制系统的重量和体积提出了

2、更高的要求，要求控制计算机的体积越小越好。性能指标和体积限制迫切需要研制新型的飞控计算机系统。基于单片机和基于PC机是目前常用的两种飞行控制计算机。单片机运算速度较慢，片内集成度低，系统资源不足。基于PC机的飞控计算机是以Intelx86系列处理器为CPU，加上相应外围的协处理器、内存、硬盘、接口电路等模块。运算速度快，寻址能力强，但接口能力差，需要较多的外围接口器件配合，不易实现小型化。ARM处理器以它32位的内核和较高的运算速度，丰富的片内集成设备，较强的运算能力正越来越多的受到嵌入式系统设计者的青睐，选用微控制器AT91M55800A，通过扩展一定的

3、外围设备，构成飞行控制计算机，具有较高的集成度，较好的实时性和高性价比。2AT91M55800性能特点AT91M55800A是ATMEL公司基于ARM7TDMI核的AT9116/32位微控制器家族成员，具有如下特性[1][2]*集成了ARM7TDMIARMThumb处理器核——高性能的32位RISC体系结构，高代码密度的16位指令集和嵌入式ICE。最高时钟频率33MHz。*8KB片内SRAM.——32位数据总线宽度，单时钟周期访问，系统最大可扩展64M存储器，软件可编程的8位/16位数据总线。*主从式SPI接口——8~16位可编程数据长度，4个外部从芯片选

4、择，最多可连接16个外部SPI设备，系统扩展性能强。*可编程的看门狗定时器，提高系统的可靠性。*片内集成3个USART、6通道16位定时/计数器（每个定时计数器都可以作为PWM，便于控制电机）片内实时时钟、8通道10位ADC及2通道10位DAC等系统资源。   *最大58个通用IO口，IO资源丰富。*片内具有先进电源管理控制器（APMC），可以最大限度的兼顾性能和功耗。适用于高性能低功耗的场合。AT91M55800A以其丰富的片内外资源适合作为无人机的飞行控制系统的微控制器。3控制系统硬件设计无人机上各种传感器众多，输出接口不同。垂直陀螺、角速率传感器输出

5、的是模拟信号，因此飞控计算机必须具备多路模拟信号的高精度采集能力。磁航向传感器、高度传感器以及GPS和遥控遥测等外围单元则采用RS-485或RS-232通讯接口，因此飞控计算机要具有多个串行接口。此外系统要求一系列的电平输出/输入接口。数字舵机接收的信号形式是频率信号，因此飞控计算机必须将控制参数以频率量的格式输出。为了兼容现有的模拟舵机，还要提供控制模拟舵机的模拟电压信号。以上都是在硬件设计中必须考虑的内容。基于以上的考虑，结合AT91M55800A的片上设备，设计的飞行控制系统硬件结构如图1所示。3.1存储系统由于AT91M55800A不带片内程序存储

6、器，需要使用FLASHROM作为系统的程序存储器。AT91M55800A的总线读写周期最长可以有8个周期的延时[3]，考虑系统的执行速度和程序的大小，选用访问速度是90ns的AT49BV1614A-90TI（芯片容量1M×16位共2M字节）。处理器片内提供了8K的SRAM，作为程序的数据存储空间，基本上能够满足要求，但为了提高系统的实时性，系统程序需要在RAM中运行，为此采用了大容量的静态RAMIS61LV51216扩展RAM存储系统。而将处理器的片内RAM用作系统堆栈空间，加速程序运行速度。为了保存存储控制参数，预设航路等数据，采用1K字节的SPI接口串

7、行EEPROMX25097，用作掉电保护。3.2串行接口的扩展机上遥控指令、遥测数据、GPS数据、高度信号、航向信号、航路装定、控制参数设置都采用RS-232或RS-485接口，而AT91M55800A片内集成的3个USART不能满足要求，必须要对串口进行扩展。完全采用软件模拟扩展串口，将加重处理器的负荷，降低系统的实时性。而采用16C554专用串口扩展芯片将增加系统的电路复杂性，增加电路板面积。在综合考虑各种方案之后，将遥控指令接入USART0，高度和航向信号通过多路开关4052共用USART1，GPS数据使用USART2。采用SPI总线接口的USART

8、收发器件MAX3111扩展了一路串行接口，本串行口的TX通道作为遥