無人機的飛行控制和機載電子設(shè)備的控制指令主要通過地面控制計算機中的軟件或者無人機控制器產(chǎn)生，這兩種相互獨立的控制方式互為備份。而無人機控制器主要由硬件電路和嵌入式軟件設(shè)計實現(xiàn)，不依賴于計算機，因此具有可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是實現(xiàn)無人機遠(yuǎn)程遙控的主要方式之一。
傳統(tǒng)的無人機控制器主要由單片機、ARM和8279等芯片設(shè)計實現(xiàn)，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但是對于無人機控制系統(tǒng)對指令時延要求和測控系統(tǒng)時序同步等問題，該設(shè)計方法增加了測控設(shè)備軟件的設(shè)計復(fù)雜度，特別針對滑跑起降型無人機遙控信道低延時數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶋H應(yīng)用要求，傳統(tǒng)無人機控制器產(chǎn)生的指令延時難以滿足無人機起降控制要求。
采用基于FPGA設(shè)計的無人機控制器，充分利用了FPGA并行數(shù)據(jù)處理能力和同步設(shè)計優(yōu)勢，將鍵盤掃描、指令編碼與顯示、指令異步串行發(fā)送等功能模塊都集成在FPGA內(nèi)部，外圍電路僅包含AD采樣、電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動芯片等簡單電路，避免了MCU等單指令周期芯片的時序缺點，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)更為簡單，擴展性更強，遙控指令的觸發(fā)到輸出的指令數(shù)據(jù)群延時小于80 ms，能夠滿足各種類型無人機的實時遠(yuǎn)程控制要求。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案
無人機控制器主要由控制鍵盤、數(shù)碼顯示板和控制器數(shù)據(jù)處理板組成。控制鍵盤由8x8開關(guān)矩陣鍵盤和航向控制器構(gòu)成，主要實現(xiàn)無人機控制器鍵盤掃描代碼和航向模擬量的產(chǎn)生。數(shù)碼顯示板由6個16進制數(shù)碼管組成，主要實現(xiàn)控制指令代碼和航向數(shù)據(jù)的同步顯示。作為無人機遙控控制器的核心部件，控制器數(shù)據(jù)處理板采用Altera公司的低成本Cyclone4系列FPGA芯片EP4CE10作為指令和數(shù)據(jù)處理的核心芯片；為降低FPGA硬件資源消耗，AD芯片選用MAXIM公司的串行12Bits AD采樣芯片MAX11105，理論航向傳感器控制精度可達0．09°；UART電平轉(zhuǎn)換芯片選用MAXIM公司的MAX3387芯片設(shè)計實現(xiàn)，具有良好的可擴展性。控制器信號處理板主要實現(xiàn)無人機控制指令的鍵盤掃描與AD采樣、指令編碼與顯示和遙控指令異步串行發(fā)送等功能。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
如圖1所示，控制器數(shù)據(jù)處理板上的FPGA分別對控制鍵盤上的8x8矩陣鍵盤和航向控制器模擬信號進行行列掃描與AD采樣，以獲取鍵盤掃描碼和航向模擬量數(shù)據(jù)，并對采集到的指令和數(shù)據(jù)進行編碼轉(zhuǎn)換后得到指令控制代碼和航向控制數(shù)據(jù)。FPGA將編碼轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)同時分成兩路，一路驅(qū)動數(shù)碼顯示板實時顯示，另一路進行遙控組幀后按照標(biāo)準(zhǔn)異步串行通信協(xié)議(UART)發(fā)送至MAX3387進行RS232電平轉(zhuǎn)換，最后將含有控制指令的異步串行遙控數(shù)據(jù)通過測控設(shè)備發(fā)送至無人機，實現(xiàn)對無人機的遠(yuǎn)程控制功能。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案
無人機控制器的軟件都集成在FPGA內(nèi)部，采用VHDL語言編程，并在Altera公司的QuartusII軟件環(huán)境下進行編譯和在線仿真?？刂破髦饕ㄦI盤掃描、指令編碼與顯示、指令異步串行發(fā)送等功能模塊，系統(tǒng)的信號流程如圖2所示。系統(tǒng)加電后，FPGA每間隔40 ms對控制鍵盤和航向控制器進行一次行列掃描和AD數(shù)據(jù)采集，當(dāng)檢測到有控制按鍵被觸發(fā)后，啟動按鍵去抖識別程序，將有效的控制按鍵的鍵盤掃描碼和AD采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成控制指令代碼和航向控制數(shù)據(jù)，并將指令和數(shù)據(jù)分成相同兩路，一路送入LED驅(qū)動模塊產(chǎn)生16進制數(shù)碼管顯示驅(qū)動信號，另一路送入指令異步串行發(fā)送模塊進行遙控組幀和控制數(shù)據(jù)加載，最后將包含指令數(shù)據(jù)的遙控幀數(shù)據(jù)按照異步串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議(UART)發(fā)出。
2．1 鍵盤掃描和AD采集模塊
