基于OMAP3525多媒體平臺的飛控系統設計

李文進，高洪雨

(國家電網技術學院，山東 泰安 271000)

電力系統高壓輸送電線路的巡檢，多采用人工方式，難以發現絕緣子等設備的老化現象，效率比較低。隨著航空技術尤其是綜合技術的發展，小型無人駕駛直升機的控制核心向高精度和小型化發展。傳統的遙控直升機自穩定性不夠好，由于陀螺效應與主槳下洗氣流的影響，直升機起飛時會向左或其他地方偏移，懸停時機身也會有較大的擺動。這樣就會使拍攝到得視頻和圖片由于抖動而不夠清晰。為了解決上述問題，筆者開發了基于雙核OMAP3525多媒體平臺的飛控系統，對絕緣子和導線等設備拍攝視頻或者圖片實時傳輸到地面基站，以便工作人員對設備狀態進行精確監測。該系統通過整合高精度的GPS接收機和獨立環境的高速慣性導航傳感器，可精確可靠的控制飛機，能夠實現精確的定點懸停，以及任意高度和空載狀態下的勻速巡航控制，為直升機提供了卓越的自動穩定懸停及飛行性能。本系統采用了德州儀器公司的開放式多媒體應用平臺OMAP(open multimedia applications platform)體系結構，其采用一種獨特的雙核結構，把高性能低功耗的DSP核與控制性能強的ARM微處理器結合起來，成為一顆高度整合性SoC［1］。它是一種開放式的、可編程的基于DSP的體系結構。由于OMAP先進獨特的結構，其芯片運算處理能力強、功耗低，在無線傳輸及數據處理方面具有明顯優勢。

1 OMAP3525的硬件結構

OMAP硬件平臺采用雙核技術提高操作系統的效率和優化代碼的執行。OMAP3525是一個高度集成的硬件和軟件應用平臺，它是為實現下一代嵌入式設備的應用而設計的。它具有獨特的雙核結構，一個具有彈性架構的600 MHz Cortex-A8內核的RISC處理器和一個實現數據處理功能的高性能、低功耗的C64x+DSP 核［2］。

1.1 Cortex-A8 內核

針對強調功耗的應用，Cortex-A8采用了一個優化的裝載/存儲流水線，順序執行，同步執行的超標量處理器內核，其擁有13級主流水線，10級NEON多媒體流水線，可以提供2 DMIPS/MHZ的性能;優化的L1緩存，可以提高訪存儲問速度，并降低功耗;專用的L2緩存，可以把緩存當作標準的RAM進行處理，而緩存大小可以靈活配置，緩存的訪問延遲也可以編程控制。在技術方面，使用了帶來更高性能、功耗效率和代碼密度的Thumb?－2技術［3］。首次采用了強大的NEONTM信號處理擴展集，包括Jazelle?－RCT Java加速技術，對實時(JIT)和動態調適編譯(DAC)提供最優化，實現低功耗管理的IEM功能，同時減少內存占用空間高達3倍。

1.2 C64x+DSP 內核

C64x+DSP內核的主要特點是:有1個64×8位緩存隊列，2個17×17位乘法器，1個40位ALU，1個16位ALU，1個40位桶形移位器和4個40位加法器［4］。另外還有12條獨立的總線，即:3條數據讀總線，2條數據寫總線，5條數據地址總線，1條程序讀取總線和1條程序地址總線，以及用戶可以配置的IDLE域?；贑64x+核開發的DSP芯片，所有部件都以交換網絡(SCR)為核心連接起來。SCR上的部件分為2類:Master和Slave。Master包括 Core、EDMA 以及串行高速 IO(sRIO)，EMAC等外設。Master可以直接通過SCR發起到Slave的數據傳輸。Slave包括每一個Core的內存，DDR2外存以及其他不能直接發起數據傳輸的外設，Slave之間的數據傳輸，需要通過DMA協助完成。Serial RapidIO(SRIO)與解串器(SERDES)接口支持高效互連通信，可實現高效的與 Cortex-A8內核間的通信［5］。OMAP3525具有豐富的片內 /外資源、較低的功耗、良好的抗干擾能力和工作穩定性，以及高速的數據處理能力，所以非常適合無人機的飛控系統。

2 無人機飛控系統設計

2.1 飛控系統硬件設計

整個系統采用模塊化設計管理。Cortex-A8內核是控制核心，計算飛機姿態，在自駕模式下發送控制命令，控制飛行。其主要職能為:信息采集，對鎖尾陀螺儀、加速度計等參數的采集處理［6］;舵機控制，負責控制4個舵機的轉動以及反饋信息;串口通信，負責與全球定位系統(GPS)、航姿儀通訊。DSP內核負責控制云臺，通過高清攝像頭拍攝到的視頻和圖片可儲存在8GB的SD卡中，也可通過無線模塊實時傳輸到地面基站，以便工作人員對設備情況進行監測。地面基站通過無線通訊可以對無人機飛行狀態進行監控，在目標識別的實現及緊急情況下切換至手動控制。GPS模塊用于精確控制直升機的飛行路線，由指南針和GPS天線集成，安裝在遠離干擾的直升機尾端。主要用于接收GPS信號，測量地球磁場，并將數據傳送至Cortex-A8處理器。圖1所示為飛控系統圖。

圖1 飛控系統圖

2.2 視頻采集模塊

無線視頻采集模塊由采集模塊和接收端2部分組成，通過無線數據通道聯系［7］。采集模塊以C64x+DSP為控制核心，包括SAA7111視頻解碼電路、CPLD邏輯控制電路和數據發射模塊Rnf2401;接收端以地面站的PC機為控制核心，包括數據接收模塊、USB數據傳輸模塊以及圖像分析與處理軟件。視頻采集系統的工作流程如圖2所示。

圖2 無線視頻采集模塊

DSP上電以后先進行初始化，然后通過軟件模擬I2C總線的時序設置SAA7111的工作模式，接到采集命令后，DSP發采樣的指令由CPLD進行控制。由于DSP和SAA7111共用幀緩沖存儲器的數據總線，所以在采樣過程中，DSP的數據線必須保持在高阻狀態。為此CPLD在接到啟動采樣信號后發送低電平HOLD信號，使DSP工作在HOLD模式。在收到DSP返回的HOLDA確認信號后，CPLD打開SAA7111并對其輸出的視頻數據進行寫控制。當一幀的數據寫入幀緩存以后，CPLD關閉SAA7111的視頻輸出并發送中斷信號給 DSP，由DSP進行數據壓縮處理。最后DSP將壓縮后的數據通過nRF2401以無線通信的方式發送給PC機，進行后續處理。

3 系統軟件設計

OMAP是一個高度集成的硬件和軟件應用平臺，它支持多種的嵌入式操作系統、高級語言編程以及豐富的DSP算法［8］。本系統在Cortex-A8(RISC處理器)中采用Windows CE操作系統，在C64x+DSP處理器采用DSP/BIOSII。在OMAP上開發程序通常分為2部分，一部分是使用Embedded Visual C開發ARM端程序，另一部分是使用TI CCS開發DSP端程序［9］。前者主要是為了使設計的算法與xDAIS(eXpressDSP TM算法標準)兼容，在ARM端程序中調用一些DSP/BIOS橋的API實現在DSP發出的數據流進行緩沖、暫停、繼續、刪除DSP任務并進行資源狀態查詢等。而具體的功能實現則是在DSP端完成。圖3顯示了Cortex-A8應用程序與C64x+DSP節點間的關系。

圖3 Cortex-A8應用程序與DSP節點間的關系

3.1 處理器的交互通信

Cortex-A8和C64x+DSP之間通過一個郵箱中斷機制進行通信，該機制在處理器之間提供了非常靈活的軟件協議［10］。該郵箱位于系統的共享存儲空間中(Cortex-A8的位地址為0x FFFC:F000，C64x+DSP的字地址為0x0F800)。系統共有4套郵箱寄存器，2套用于Cortex-A8向C64x+DSP發送信息和產生中斷，另外2套用于C64x+DSP向Cortex-A8發送信息和產生中斷。每套郵箱寄存器包含2個16bit寄存器和1個1bit標志寄存器，其中的1個16bit寄存器由產生中斷的處理器用來傳遞1個數據字到被中斷的處理器，另外1個16bit寄存器則用于傳遞命令字。

2個處理器間的通信模式為:當一個處理器將合適的命令寫到寄存器后，該寄存器會產生中斷，對另外一個處理器的標志寄存器進行正確設置［11］。被中斷的處理器通過讀標志寄存器響應中斷并清空標志寄存器。每套郵箱寄存器中，還有一個附加的數據字寄存器，可以在每次中斷時在處理器間傳送兩個字的數據，而不光只有命令字。

DSP/BIOS橋用于非對稱的，由一個通用的處理器(GPP)和一個或多個DSP組成的多處理器環境。DSP/BIOS橋作為GGP和DSP的軟件組合，把2個操作系統連接在一起［12］。這種連接能夠使GPP端的客戶與C64x+DSP上的任務交換信息和數據。連接分為2種類型的子連接，消息子連接和數據流子連接。每種子連接都按順序傳遞消息，哪個消息先到消息鏈，哪個消息就先被傳遞;同樣哪個數據流先到數據流鏈，哪個數據流就先被傳遞。每個子連接都獨立地進行操作，例如:GPP先發送數據流，然后發送消息，如果消息有高優先級，那么消息比數據流先到C64x+DSP。

3.2 軟件流程

圖4所示為系統軟件總體流程，主要分為4個部分:①初始化。系統軟、硬件的初始化和參數預置;② 遙控遙測。接收、執行地面監測指令，同時將飛行參數和遙測數據發送回地面監測站;③自主導航。接收、處理傳感器數據，進行控制解算，自主完成導航任務;④定時與中斷處理。完成已規劃好的相關任務。

圖4 系統軟件總體流程

4 結束語

以OMAP3525為核心處理器的無人機飛控系統的設計方案，通過整合高精度的GPS接收機和獨立環境的高速慣性導航傳感器可靠地控制飛機，能夠實現精確地定點懸停，從而拍攝視頻或者圖片來監控輸配電線路的各種電氣設備的工作狀態，使監控的準確性和實時性得到極大地提高。

［1］ Texas Instruments.TI’s OMAP Processors Enable High-Performance Wireless Applications For 2.5G and 3G Mobile Devices［EB/OL］.［2001 －01 －17］.http:www.ti.com.

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(責任編輯楊繼森)