無人機(jī)陀螺儀主控芯片STM32應(yīng)用詳解

在無人機(jī)系統(tǒng)與地面站通信過程中，機(jī)載陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)的高速產(chǎn)生與外部相對(duì)低速的無線數(shù)據(jù)模塊傳輸?shù)拿苋找嫱怀?，?yán)重制約著無人機(jī)的發(fā)展。針對(duì)這一問題，采用FPGAFIFO作為高速數(shù)據(jù)緩沖，提出一種基于FPGA內(nèi)建FIFO的無人機(jī)陀螺儀前級(jí)通信接口。通過高速異步FIFO緩沖，將無人機(jī)陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)由FPGA準(zhǔn)確無誤地發(fā)送給地面站，顯著提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了高速芯片與低速設(shè)備之間的通信。整個(gè)設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中效果良好，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，滿足了低誤碼率與高穩(wěn)定性的要求，以及無人機(jī)與地面站高速通信的需求，有著廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

無人機(jī)系統(tǒng)對(duì)于地面站發(fā)送的控制信號(hào)以及飛行器傳回的姿態(tài)數(shù)據(jù)有著極高的實(shí)時(shí)性、可靠性與穩(wěn)定性要求，這對(duì)無人機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。對(duì)于采用 ARM作為微處理器的無人機(jī)系統(tǒng)來說，系統(tǒng)往往需要協(xié)調(diào)基于ARM處理器的高速陀螺儀模塊與相對(duì)低速的外部無線數(shù)據(jù)傳輸模塊間的工作。在通信高穩(wěn)定性與低誤碼率的要求下，處理器不得不花時(shí)間運(yùn)行空操作來等待外部相對(duì)低速的傳輸模塊完成一幀數(shù)據(jù)的收/發(fā)。由于等待所浪費(fèi)的處理器運(yùn)算周期無形中降低了整個(gè)飛控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，進(jìn)而帶來許多潛在的不穩(wěn)定因素。本設(shè)計(jì)結(jié)合無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展需求，采用FPGA FIFO作為高速數(shù)據(jù)緩沖，提出一種基于FPGA內(nèi)建FIFO的無人機(jī)陀螺儀前級(jí)通信接口。通過高速異步FIFO緩沖，將無人機(jī)陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)由 FPGA準(zhǔn)確無誤地發(fā)送給地面站，保證了傳輸質(zhì)量，架起了高速芯片與低速設(shè)備之間溝通的橋梁。

FPGA內(nèi)建FIFO的基本工作原理

FIFO即先進(jìn)先出隊(duì)列，采用環(huán)形存儲(chǔ)電路結(jié)構(gòu)，是一種傳統(tǒng)的按序執(zhí)行方法。先進(jìn)入的指令先完成并引退，隨后才執(zhí)行第二條指令，是一種先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)緩存器。根據(jù)FIFO的讀寫時(shí)鐘頻率是否相同，可將FIFO分為同步FIFO與異步FIFO。FIFO的應(yīng)用可以很好地協(xié)調(diào)不同時(shí)鐘、不同數(shù)據(jù)寬度數(shù)據(jù)的通信，滿足高/低速時(shí)鐘頻率要求。與普通存儲(chǔ)器相比，F(xiàn)IFO沒有外部讀寫地址線，使用方便。

采用FPGA異步FIFO連接基于ARM處理器的高速無人機(jī)陀螺儀模塊與相對(duì)低速的無線數(shù)據(jù)傳輸外設(shè)。從硬件的觀點(diǎn)來看，F(xiàn)IFO實(shí)質(zhì)上就是一塊數(shù)據(jù)內(nèi)存。異步FIFO采用2個(gè)時(shí)鐘信號(hào)控制其讀寫操作，分別為寫時(shí)鐘(wrclk)和讀時(shí)鐘(rdclk)。一個(gè)用來寫數(shù)據(jù)，即將數(shù)據(jù)存入FIFO;另一個(gè)用來讀數(shù)據(jù)，即將數(shù)據(jù)從FIFO中取出。與FIFO操作相關(guān)的有兩個(gè)指針：寫指針指向要寫的內(nèi)存部分;讀指針指向要讀的內(nèi)存部分。FIFO控制器通過外部的讀寫信號(hào)控制這兩個(gè)指針移動(dòng)，并由此產(chǎn)生FIFO空信號(hào)或滿信號(hào)。讀寫時(shí)鐘相互獨(dú)立設(shè)計(jì)，有效地保證了FIFO兩端數(shù)據(jù)的異步通信。

基于ARM的無人機(jī)陀螺儀接口結(jié)構(gòu)

由于機(jī)載燃油和電能儲(chǔ)備的制約，無人機(jī)載設(shè)備要求小巧輕便，能效比高，因此對(duì)芯片的選型及電路結(jié)構(gòu)提出了較高的要求。綜合穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)精度、工作溫度、封裝體積以及能耗等各方面因素，對(duì)無人機(jī)陀螺儀傳感器經(jīng)行嚴(yán)格篩選，確定了所示的陀螺儀方案。無人機(jī)陀螺儀的主控芯片選用ARM 32 bit CortexTM M3內(nèi)核的STM32F103T8($3.0391)處理器。其內(nèi)建64 KB的閃存存儲(chǔ)器和20 KB的運(yùn)行內(nèi)存，以及7通道的DMA、7個(gè)定時(shí)器、2個(gè)UART端口等。通過板載的8 MHz晶體和STM32($18.3200)內(nèi)部的PLL，控制器可以運(yùn)行在72 MHz的主頻上，為姿態(tài)解算提供強(qiáng)大的硬件支持。

三軸加速度與三軸角速度傳感器采用Invensense公司的MPU-6050($4.3178)單芯片方案，此芯片為全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相比其他多芯片實(shí)現(xiàn)方案，免除了整合陀螺儀與加速度器軸間差的問題，大大減少了封裝空間。三軸磁力計(jì)采用Honeywell公司的HMC5883L($1.2500)芯片，此芯片內(nèi)部采用先進(jìn)的高分辨率HMC188X系列磁阻傳感器與行業(yè)領(lǐng)先的各向異性磁阻技術(shù)(AMR)，具有軸向高靈敏度和線性高精度的特點(diǎn)，測(cè)量范圍從毫高斯到8高斯，穩(wěn)定可靠。氣壓傳感器采用博世公司的BMP180芯片，該芯片性能卓越，絕對(duì)精度可以達(dá)到0.03 hpa，并且功耗極低。傳感器采用強(qiáng)大的7 pin陶瓷無引線芯片承載(LCC)超薄封裝，安裝使用方便。各傳感器與ARM處理器采用I2C總線連接，示意圖如圖3所示。

FPGA FIFO與陀螺儀的連接

結(jié)合無人機(jī)ARM陀螺儀的特點(diǎn)，為了適應(yīng)過程的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)操作的簡便性，設(shè)計(jì)選用Altera公司的CycloneII系列芯片EP2C8Q208C8N($23.3400)，在QuartuesII平臺(tái)上進(jìn)行Verilog代碼設(shè)計(jì)，使用Altera公司提供的FIFO IP核。此方案穩(wěn)定高效，易于開發(fā)。

陀螺儀與FIFO及FPGA的連接

處理器采集各傳感器信號(hào)，在ARM內(nèi)部進(jìn)行姿態(tài)解算，進(jìn)而得到俯仰角、橫滾角、航向角、氣壓、高度和溫度信息。為了及時(shí)將解算得到的數(shù)據(jù)發(fā)送回地面站，處理器控制寫請(qǐng)求信號(hào)wrreq和寫時(shí)鐘wrclk將這些數(shù)據(jù)高速寫入FIFO，然后回到飛行控制程序，進(jìn)行下一周期的姿態(tài)解算。FIFO在數(shù)據(jù)寫滿后，寫滿標(biāo)志位wrfull會(huì)置高電平，ARM處理器通過檢測(cè)寫滿標(biāo)志位的狀態(tài)來判斷是否繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，在FPGA中通過檢測(cè)所讀取FIFO是否為空標(biāo)志位rdempty來判斷是否繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。讀空標(biāo)志位為低電平代表FIFO中有數(shù)據(jù)，可以讀取，則配合讀請(qǐng)求信號(hào)rdreq和讀時(shí)鐘rdclk 及時(shí)讀取數(shù)據(jù)，直到將數(shù)據(jù)全部讀出，標(biāo)志位變?yōu)楦唠娖剑藭r(shí)FIFO中已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)。基于ARM的陀螺儀與FIFO及FPGA的連接如圖4所示。