一种基于A R M+F P G A的无人机地面测控系统设计与实现

2017-08-30南京模拟技术研究所辛海洋

电子世界 2017年15期

南京模拟技术研究所辛海洋彭飞

南京模拟技术研究所辛海洋彭飞

本文基于ARM+FPGA的嵌入式架构，实现单测控站对多目标无人机的可靠控制。其中，ARM微处理器主要负责各无人机GPS/北斗数据的解算，通过解算得到的方位角、俯仰角、天线阵列单元编号信息，完成对无人机的跟踪；FPGA作为协同处理器，一方面提供RS232/RS422/SPI数据接口和时序控制，另一方面完成无人机遥测、遥控数据的高速处理。整个系统采用TDMA（时分多址）的方式，通过对每个通信时隙的精确控制，实现单站远距离多目标无人机的可靠测控。本设计能够实现一站最多9架无人机的同时测控。

ARM；FPGA；无人机；TDMA

0 引言

测控系统作为无人机系统的重要组成部分，主要完成对无人机的遥控、遥测、跟踪定位，实现对机载任务载荷的远距离操纵以及侦察信息的实时传输、监视、记录及分发。在多无人机协同作战技术快速发展的今天，测控系统的工作方式也由一站一机，发展到一站多机。

1 设计原理

本文主要对一站多机的无人机测控地面测控系统实现进行介绍。该系统采用电扫描技术，对无人机具有TDMA(时分多址)+频分+空分的精确控制功能（如图1所示）。通过划分时隙，在每个通信时隙内，完成多组数据的交互。再通过ARM控制解算，完成对个无人机的精确跟踪，实现远距离多目标无人机的可靠测控。

地面测控系统采用ARM+FPGA的嵌入式架构。其中，ARM微处理器采用STM32 Cortex-M3芯片，FPGA采用Xilinx Spartan6系列芯片。可以根据不同型号的无人机，来配置各路串口数据的波特率，也可以在线对遥控、遥测通道进行配置切换。

此外，此地面控制部分具有GPS数据导引跟踪及自动搜索功能，能够通过场强信息快速找到目标无人机。具有故障诊断识别功能和自动重捕功能。本次设计能够实现一站最多9架无人机的同时测控。

2 系统设计

2.1 ARM功能介绍

控制解算模块是地面测控系统的核心。由ARM微处理器（STM32 Cortex-M3芯片）及其外围电路组成。实现功能需要的片内资源包括时钟模块、SPI接口模块、GPIO模块、外部中断、定时/计数器等。其主要实现的功能包括正北标定，与FPGA数据处理模块进行数据交互、多无人机的实时跟踪控制，与显示按键模块的输入输出响应等。

图1 时分通信机制

2.2 FPGA功能介绍

FPGA选取Xilinx Spartan6芯片（低功耗、低成本，同时具有多大150000个逻辑单元等，可以很好的满足设计所需资源量及系统的工作性能），通过SPI总线接口与ARM互联，配备有源晶振，同时选取12个引脚与12个串口互联，控制端口中，预留1各接口，以便升级，功能框图如图2所示。

主要实现多路串口数据的收发及与ARM间的数据交互。FPGA内部定时器负责计时，当一个时隙到来，通知ARM进行高速天线开关的切换，ARM发出开关切换指令，同时把消息反馈给FPGA。FPGA延时几十纳秒后，收遥测指令并解析，再通过SPI总线输出给ARM，通过串口输出给指控设备；同步状态下收遥控指令，解析后经射频组件和天线发送。

2.3 硬件设计

2．3．1 正北标定

在无人机起飞前，利用瞄准镜/GPS组合方式进行正北标定。首先根据选择好的场地，确定测控地面站的站址点，用GPS/北斗定位，并记录其经纬度，作好标记。站址点确定后，不能任意移动，否则需重新进行标定过程。选取参照点，参照点与站址点应大于800m，设立长杆标志，移动长杆，确保其与瞄准镜的中垂线重合，用GPS/北斗定位，记录其经纬度。ARM微处理器根据两点的GPS坐标值，算出参照点到站址点的方位角，作为GPS/北斗跟踪时无人机处在哪个天线单元覆盖范围内的重要依据。

图2 FPGA功能框图

2．3．2 多无人机的实时跟踪控制

无人机起飞后初捕模式下。近场阶段，根据无人机的高度、距离切换到一低仰角的全向天线进行通信；远场阶段，自动在定向天线单元间依次切换进行搜索，确定每架无人机处于哪个定向天线单元覆盖范围之内，记录下对应天线单元编号，之后转入自动跟踪模式。如有无人机未能确定所在方位，将此无人机所对应天线编号统一设为某一定向天线单元，留待自动跟踪模式下，再进行搜索。