无人机控制系统核心硬件

2.1 ARM-Cortex M4架构

ARM-Cortex M4 架构：

无人机控制系统可以采用基于ARM系统架构的嵌入式处理器来实现，本次

重点基于ARM-Cortex M4架构的无人机飞控系统。

ARM是32位嵌入式微处理器的行业领先提供商，到目前为止，已推出各

种各样基于通用体系结构的处理器，这些处理器具有高性能和行业领先的功效，而且系统成本也有所降低。

基于ARMv7架构以上的Cortex系列主要分为A（应用处理器）、R（实时

处理器）、M（微控制器）三大应用系列。其中Cortex-M系列处理器主要是针

对微控制器领域开发的，在该领域中，既需进行快速且具有高确定性的中断管理，又需将逻辑门数和功耗控制在最低。Cortex-M处理器是一系列可向上兼容

的高能效、易于使用的处理器，这些处理器旨在帮助开发人员满足将来的嵌入

式应用的需要。这些需要包括以更低的成本提供更多功能、不断增加连接、改

善代码重用和提高能效

ARM-Cortex 的特点：

更低的功耗：以更低的 MHz 或更短的活动时段运行，基于架构的睡眠模式支持，比 8/16 位设备的工作方式更智能、睡眠时间更长

更小的代码（更低的硅成本）：高密度指令集，比 8/16 位设备每字节完

成更多操作，更小的 RAM、ROM 或闪存要求

易于使用：多个供应商之间的全球标准，代码兼容性，统一的工具和操作

系统支持

更有竞争力的产品：Powerful Cortex-M processor，每MHz 提供更高的

•Cortex-M4是一个32位处理器内核

•内部的数据路径是32位的，寄存器是32位的，存储器接口也是32 位的

•采用哈佛架构

•小端模式和大端模式都是支持的

•Thumb指令集与32位性能相结合的高密度代码

•针对成本敏感的设备Cortex-M4处理器实现紧耦合的系统组件，降低处理器的面积，减少开发成本

•ROM系统更新的代码重载的能力

•该处理器可提供卓越的电源效率

•饱和算法进行信号处理

•硬件除法和快速数字信号处理为导向的乘法累加

•集成超低功耗的睡眠模式和一个可选的深度睡眠模式

•快速执行代码会使用较慢的处理器时钟，或者增加睡眠模式的时间•为平台的安全性和稳固性，集成了MPU（存储器保护单元）

•Cortex-M4内部还附赠了好多调试组件，用于在硬件水平上支持调试操作，如指令断点，数据观察点等

•有独立的指令总线和数据总线，可以让取指与数据访问并行不悖

2.1.3 基于ARM Cortex-M4 内核的微控制器

ARM Cortex-M4内核是微控制器的中央处理单元（CPU），配合外围设备模块和组件，形成完整的基于Cortex-M4的微控制器。在芯片制造商得到Cortex-M4处理器内核的使用授权后，它们可以将Cortex-M4内核用在自己的硅片设计中，添加存储器，外设，I/O以及其它功能块。不同厂家设计出的单片机会有不同的配置，包括存储器容量、类型、外设等都各具特色。由于基于统一的内核架构，事实上本书后面所介绍的飞控软件和算法虽然已ST的

STM32F407为基础，它们是很容易移植到其他公司的同内核平台芯片上的，很多与外设无关的代码部分不需要任何改变即可移到其他平台上，仅需要关注外围设备相关部分的驱动代码。

•飞思卡尔（现并入恩智浦）基于ARM Cortex M4内核的Kinetis K60微控制器系列。Kinetis微控制器组合产品由多个基于ARM@CortexTM_M4内核且引脚、外设和软件均兼容的微控制器系列产品组成。

•ST基于ARM Cortex-M4内核的STM32 F4微控制器系列，具有高达

168MHz的主频，以及在此主频工作下的基准测试功耗为38.6mA

•TI 基于ARM Cortex-M内核的新型低功耗、浮点Stellaris Cortex-M4F 微控制器系列

•恩智浦半导体NXP Semiconductors N.V. 推出LPC4000微控制器，该系列产品采用ARM Cortex-M4和Cortex-M0双核架构的非对称数字信号控制器•ATMEL（Atmel Corporation）基于 Cortex-M4 的 SAM4S16

2.2 STM32F4 系列微控制器

微控制器

意法半导体（STMicroelectronics）推出的基于ARM Cortex-M4F系列的微控制器采用了一发半导体最新的NVM工艺和ART加速器TM，处理性能可以达到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，程序从FLASH运行相当于0等待

•多达1MB FLASH

•192Kb SRAM：128KB 在总线矩阵上，64KB在专为CPU使用的数据总线上•支持SWD 2线调试接口

高级外设接口：

•USB OTG高速 480Mbit/s

•IEEE1588，以太网 MAC 10/100

•PWM高速定时器：168MHz最大频率

•加密/哈希硬件处理器：32位随机数发生器（RNG）

•带有日历功能的32位RTC：<1μA的实时时钟，1秒精度

•低电压：1.8V到3.6V VDD，在某些封装上，可降低至1.7V

•全双工I2S

•12位 ADC：0.41us转换/2.4Msps（7.2Msps在交替模式）

•高速USART，可达10.5Mbits/s

•高速SPI，可达37.5Mbits/s

•Camera接口，可达54M字节/s

针对无人机飞控系统所使用的外设模块和硬件接口并不需要很多，基本的主要有以下几种：

•I2C

•UART

•SPI

•PWM输入捕获和输出比较

•AD模数转换