基于ARM7平台的超小型无人驾驶飞行器手持式地面站系统

超小型无人驾驶飞行器（ＳＵＡＶ）是指特征尺寸在４５ｃｍ到 ２ｍ之间的飞行器。对于ＳＵＡＶ来说，拥有一个机动灵活、数据 处理能力强大、存储容量大、环境适应能力强的地面站系统是非 常有必要的。目前，国内几家开展ＳＵＡＶ研究的单位所采用的地 面站系统基本上还是以ＰＣ机为平台，在ＰＣ机上对从ＳＵＡＶ 上通过无线电传回来的飞行数据、系统状态数据进行显示、处 理、分析，并向ＳＵＡＶ发出相应指令实施控制。基于ＰＣ机为平 台的地面站系统的优点是：地面站系统开发方便、存储容量大、 图形化效果好、计算能力比较强、可扩展性较强。但是它也有它 的致命缺点：体积较大（即便是笔记本也稍显庞大）携带不方便、 需要外部电源支持。因此，笔者为了解决传统地面站对环境要求 较高这一缺点，利用３２位的ＡＲＭ系统开发出一种ＳＵＡＶ手持 式地面站系统。 １ 系统功能
里采用３２０｛２４０黑白色的高分辨率液晶显示器，通过通用的
ＬｃＤ接口与ＣＰＵ相连，使得飞行数据可以以更加直观的图形 化的形式显示出来，更加有利于操作人员的分析；地面站通过数
传电台与ＳＵＡＶ上的飞控计算机通信，数据的接受和发送均通
过串口０，波特率为１９２００，同时串口１用来接收来自ＧＰＳ接
收机的位置信号；该系统预留了ＵＳＢ和以太网接口，因此针对
图２系统程序流程图
首先是系统初始化，其中重要的是对于ＣＦ卡上ＦＡ＿ｒ３２文
件系统的初始化，这对于系统之后的操作很重要，具体实现见参
考文献２；值得一提的是ＬＣＤ控制器设置为自动刷新模式，在
为ＬＣＤ控制器分配了９６００ Ｂ的缓存空间以后，控制器将以
８０Ｈｚ的频率刷新ＬＣＤ，经计算ＬｃＤ控制器的系统总线占有率 为０．５％，完全可以接受；设置定时器０每１ｍｓ产生一次中断，
一帧完整的数据后，这里包括了
对于校验数据的判断，将数据写 入缓存，在经过换算以图形化的 形式将数据在ＬｃＤ上反映出来。 ＬｃＤ主要界面如图４所示，其中
盛 面一
左边的两个矩形框内为俯仰和 图３飞控数据采集模块流程圈
万方数据
６０
基于ＡＲＭ７平台的超小型无人驾驶飞行器手持式地面站系统
横滚两个通道的飞行曲线，右边的圆内中心十字代表地面站，三 角形代表ＳＵＡＶ，这里以一定的比例根据ＧＰＳ信号显示ＳＵＡＶ 相对地面站的位置。右下角的矩形框内为高度、速度等飞行数 据。最下面为开始、停止按纽及命令输入行，对于按纽的操作和 菜单一样可以通过摇杆或方向键来控制选择。启动数据接收以 后，数据接收过程在ＵＡＲＴＯ中断中完成，将接受到的所有数据 存人数据缓存中，但不做进一步的处理，对于数据的转换和显示 有主程序中根据约定好的协议来完成。当收到停止采集的命令 后，一次性的将所有数据存入ＣＦ卡中，但不清除缓存，为后面 做数据处理做准备。
了实现飞行数据曲线的实时绘制，必须将ＬＣＤ图形化。之后开
始飞行数据的接收，正如前面提到过的，这里将接受到的每一帧
飞行数据只是存入２ＭＢ的缓存中，并不直接存入ＣＦ卡中，只
有在所有一个批次的飞行数据都接受完毕以后，才将所有的飞
行数据一次性存入ＣＦ卡中，文
件名将由系统直接以数字加上
“ｄａｔ”后缀自动生成。每一帧的飞
ＧＰＳ接收机的位置信号；之后是启动整个程序运行期间最重要 的一个模块——键盘摇杆命令输入模块，这个模块的主要工作
是在ＩＩＣ中断中完成的，他处理来自键盘和摇杆的所有输入并
对输入的命令进行分析，以提供给其余模块使用。在启动了以上
几个后台任务以后，进入系统主菜单。主菜单中主要设置以下４
个菜单选项：飞控数据采集模块、数据分析模块、ＣＦ卡操作模块 和与ＰＣ机通信模块。为了加快数据处理的速度，减少数据搬移
该地面站系统通过数传电台和ＳＵＡＶ上的飞控计算机通信 获得飞机的飞行数据（包括飞机３轴姿态、角速度、线速度，ＧＰＳ 位置及重要的飞控参数），通过ＧＰＳ接收机获得当前地面站的 精确位置。同时在显示屏上将飞机的飞行姿态、飞机相对地面站 的位置以图形、曲线的方式显示出来，并通过程序内部预先设定 的算法对飞行数据做实时的处理，得到新的飞控参数，返回给飞 控计算机。对于装有增稳系统的ＳＵＡＶ，该地面站可以通过摇杆 或者键盘直接控制飞机，简化操作手的操作。对于可以实现自主 飞行的ＳＵＡＶ，由于地面站上也装有ＧＰＳ接收机，因此可以通 过在图形化的人机界面上设置ＧＰＳ位置来设定飞机的航路点， 来达到自主飞行的目的。 ２硬件设计
率将ＬｃＤ显示器定时刷新。因为采用ＡＲＭ７内核，在主程序之
前有一段Ｂｏｏｔｒｏｍ的程序来初始化内核，包括系统时钟、异常
设置、存储器设置、模式 设置，经过这一系列的初 始化使得ＣＰＵ能够正常 开始工作，关于ｂｏｏｔｒｏｍ 的详细内容可以参考三
系统蜘始化 （ＵＡＲＴ。【Ｉｆ。【ｌＳＢ．巾－ 断．Ｉｊｎ ＬＣＤ．ＣＦｔ４－等）ｊ
设计软件系统。为了提高系统的效率和实现模块化的设计，在
８Ｍ的ＲＡＭ中分出２ＭＢ的空间作为读写ＣＦ卡的数据缓存，同 时也作为飞控数据的缓存，这足够将ＳＵＡＶ一次起降的所有飞
行数据保存下来，然后将这一批次的数据一次性的写入ＣＦ卡
或者从ＣＦ卡中读出来以做分析；再从ＲＡＭ中分出３２０＋２４０／
８＝９６００ Ｂ的空间作为ＬｃＤ的显存，由ＬＣＤ控制器以８０Ｈｚ频
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星公司发布的官方程序。
之后进入地面站程序
ｍａｉｎ，为了使人机接口
更为友好，操作更加方
便，采用菜单与命令行结 合的方式提供人机交互
接口，因此除了修改飞行
参数以外，其余所有操作
均可通过摇杆来实现。图
２是地面站主要程序流 程图。
系统构成如图１所示。 该手持式地面站系统采用三星公司的ＡＲＭ７系列芯片 Ｓ３Ｃ４４ＢＯＸ作为主处理器，采用１０ＭＨｚ的外部晶体振荡器，通
ｊ竖ｉｌ ｈ潍Ｐｌ键｛：ｌ｜：
ｉ 一数字小键僦
皇叫摇杆ｌ
圈１系统构成 过内部ＰＬＬ锁相环倍频到４０ＭＨｚ的系统频率；存储器方面，利 用ＣＰＵ内部的８Ｋ ＲＡＭ作为高速缓存Ｃａｓｈ，外部采用２Ｍ的 ＦＵ临Ｈ作为程序存储器，８Ｍ的ＲＡＭ作为动态的数据存储器。 为了能够存储大量的飞行数据，该地面站系统采用大容量ＣＦ 卡作为数据存储设备，这里设置ＣＦ卡工作在Ｍｅｍｏｒｙ Ｍｏｄｅ， 同时在ＣＦ卡上建立了ＦＡＴ３２文件系统，这就使的该系统可以 采用从３２Ｍ到５１２Ｍ不同容量的ＣＦ卡，更重要的是有了文件 系统就使得系统与ＰＣ机之间可以通过ＣＦ卡直接交换大批量 数据；系统输入设备采用小型薄膜数字键盘、电阻式摇杆和标准 ＰＣ键盘三种输入设备相结合，其中ＰＣ键盘为可选设备，以 ＰＳ／２接口与系统连接，由系统直接提供５Ｖ电源。对于ＰＣ键盘 的按键输入采用中断的方式，由于ＰＳ／２接口协议的时钟信号 频率较低，为１５ｋＨｚ左右，因此将ＰＳ／２接口的时钟信号接到单 片机的外部中断，该中断响应时钟信号的下降沿跳变，通过普通 的Ｉ／Ｏ口读人数据线上的电平，这里采用第二套扫描码集，关于 ＰＳ／２接口协议详细内容请参考文献［５］。为了使得ＣＰＵ能够将
｝国家自然科学基金资助（５０４０５０４６），上海市科技启明星计划资助（０３ＱＧｌ４０２０）
万方数据
《工业控制计算机）２００６年１９卷第３期
大量时间放在数据分析和处理上，这里用一个普通的８位单片
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机作为键盘、摇杆输入接口，它将键盘和摇杆的输入转化为统一
的ＡＳＣＩＩ字符命令通过ＩＩＣ总线发送给主ＣＰＵ；显示器方面，这
以通过菜单操作实现，命令行输入是为以后的系统扩展做准备。 系统所有其余模块只需要查找响应的标志字就可以判断是否有
针对自己的命令输入。
３．２飞控数据采集模块
该模块具体流程图如图３所示。程序进入这一模块后，由于 使用ＵＡＲＴ０通过数传模块与飞控计算机通信，这里将启动
ＵＡＲＴ０，并开启中断，在平时这一外设将被关闭以节省功耗。为
作为某些需要定时执行的任务的时基信号；之后首先开启１０位
的ＡＤＣ控制器的通道Ｏ，每隔１秒采样一次系统输入电压，虽
然ＤＣ—ＤＣ变换器ＭＡＸｌ７９７最低可以接受Ｏ＿７Ｖ的输入电压，
但考虑到电池的放电特性，这里设置当电池电压持续低于２Ｖ
时，发出电压过低警报，以便操作人员及时保存飞控数据；同时
开启ＵＡＲＴｌ中断响应，在地面站整个运行过程都实时接受来自
基于ＡＲＭ７平台的超小型无人驾驶飞行器手持式地面站系统
基于ＡＲＭ７平台的超小型无人驾驶飞行器手持式地面站系统
ＳＵＡＶ７Ｓ Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｇｒｏｕｎｄ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｂａｓｅ ｏｎ ＡＲＭ７ Ｓｙｓｔｅｍ
胡鉴峰 罗 均 （上海大学精密机械系，上海２０００７２）
摘要 介绍了一种用３２位的ＡＲＭ７系列芯片Ｓ３Ｃ４４８０×辅以一些外围器件实现了一个超小型无人驾驶飞行器（ＳＵＡＶ）手持 式地面站系统。该系统采用模块化的设计思想。主要完成与ＳＵＡＶ通信、采集飞行数据、数据处理、实时姿态位置显示、与ＰＣ 机高速大容量数据交换等功能。与传统的ＰＣ机地面站系统相比，该地面站具有体积小、重量轻、不需要外部电源供电、操作 方便等特点。 关键词：ＳＵＡＶ，手持式，ＡＲＭ，模块化
的操作和对ＣＦ卡的读写操作，各个模块内部、之间对于数据的
操作均以ＲＡＭ中设置的缓存为中间媒体，每次操作以一个批次
的所有数据为单位；同时由于ＬＣＤ采用了自动刷新模式，所有
模块对于屏幕的操作均以设置在ＲＡＭ中显存为目标。
３．１键盘摇杆命令输入分析模块
这一模块的主要任务是由外部的８位单片机实现的，单片
机将摇杆和键盘的输入统一转化为ＡＳＣｌＩ码，利用ＩＩＣ总线以
行数据按照约定好的数据格式发 送。以￥为数据的开始，每一帧数 据包含以下所有数据：机载ＧＰＳ
一一一一一～一
接收机数据、飞机３个轴姿态数
据、３个轴的角速率、高度信号、
空速信号，之后是一个校验数据，
这个数据是由前面所有数据做逻
辑运算得到的，所有数据之间以
“，”作为分隔符，最后以＆作为一
帧数据结束标志。在判断接收到
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ＳＵＡＶ’Ｓ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｔｉｏｎ ｂａｓｅ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈｉｐ Ｓ３Ｃ４４８０×（ＡＲＭ７ ｓｙｓｔｅｍ）．Ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ．Ｉｔ’Ｓ ｍａｉｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ ｗｉｔｈ ＳＵＡｖ，ｄａｔｅ ａｃｐｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｄａｔｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｄｉｓｐｌａｙ· ｉｎｇ ｔｈｅ ＳＵＡＶ。Ｓ ｐｏｓｅ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ ｗｉｔｈ ＰＣ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｒｙ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｔｉｏｎ ｗｉｔｃｈ ｉｓ ｂａｓｅ“ｏｎ ＰＣ，ｔｈｅ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｓｍａｌｌ．１ｉｇｈｔ，ｈａｖｉｎｇ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｐｏｗｅｒ．ｅａｓｙ ｔｏ ｕｓｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＵＡＶ，Ｐｏｒｔａｂｌｅ，ＡＲＭ。Ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ
中断的方式发送给主ＣＰＵ，在ｌｌＣ中断处理过程中，主Ｃ尸Ｕ将
接受到的ＡＳＣＩＩ字符分为两类：功能键如方向键作为对菜单的
操作命令，直接设置相应的菜单操作标志字；对于一般的数字、
字母输入作为命令行输入，存储到命令行缓存。Ｂｕｆｆｅｒ＿Ｃｏｍ—
ｍａｎｄ并回车符作为一个命令行输入的结束，然后在对该命令
行做分析，并且设置响应的标志位。事实上目前所有的操作都可
得到了很大的提高。实际测试显示两节上述电池可以使系统正
常工作２．５个小时以上；同时将系统的２．４Ｖ电压接到ＣＰＵ的
１０位ＡＤＣ通道Ｏ，以此来实时监控系统电压。
３软件系统设计
由于采用３２位系统，在软件设计上与普通的８位机系统相
比有较大差别。由于目前该地面站的处理任务并不是很复杂，这
里不考虑采用操作系统多任务的形式，还是采用单任务的形式
不同的ＰＣ机可以采用不同的接口与其交换数据，大大增强了 该系统的适应能力。为了提高系统的机动性和长时间工作能力，
在电源部分采用了两节１．２Ｖ－１８００ｍＡ／ｈ的镍镉可充电电池并
联得到２．４Ｖ电压，通过两片ＤＣ—ＤＣ变换器ＭＡＸｌ７９７获得
３．３Ｖ和５Ｖ的电压给系统供电，该ＤＣ—ＤＣ变换器的效率高达
８０％以上，远远超过普通的稳压芯片，使得系统的持续工作能力