一種ARM+DSP架構(gòu)的小型無人機(jī)飛行控制平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

雷金奎， 趙 晨， 陳 浩

（1.西北工業(yè)大學(xué) 第365研究所，陜西 西安 710065；2.西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710072）

近年來，無人機(jī)[1]以其獨(dú)有的低成本、低損耗、零傷亡、可重復(fù)使用和高機(jī)動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，在軍用和民用領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，使得人們對(duì)無人機(jī)提出了更高的要求，因此作為無人機(jī)核心的飛行控制器的研究也越來越受到重視。高精度要求無人機(jī)控制系統(tǒng)的精度高，穩(wěn)定性好，能適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，計(jì)算速度快，精度高[2]，小型化則對(duì)控制系統(tǒng)的重量和體積提出了更高的要求。此外，還要具備實(shí)時(shí)、可靠的特點(diǎn)。

1 飛控平臺(tái)概述

本設(shè)計(jì)的無人機(jī)飛行控制平臺(tái)是基于ARM+DSP雙處理器協(xié)同工作來實(shí)現(xiàn)的，總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。平臺(tái)選用SAMSUNG公司的ARM9處理器S3C2440作為主處理器，選用TI公司的DSP處理器TMS320F2812作為從處理器。雙口RAM芯片IDT7028L實(shí)現(xiàn)雙處理器之間的通訊，AD7490芯片將機(jī)載傳感器采集的信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，AD5628芯片用于輸出模擬控制量。平臺(tái)外擴(kuò)32M SDRAM，8路串口通信電路，具有30路離散I/O口，JTAG調(diào)試接口。主要實(shí)現(xiàn)的功能：

1）ARM主處理器采集各傳感器信號(hào)，包括角速度、高度、飛行器姿態(tài)等參數(shù)，經(jīng)調(diào)理電路濾除干擾后送入A/D轉(zhuǎn)換電路，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量存入雙口RAM。

2）DSP從處理器通過雙口RAM獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行控制律解算，產(chǎn)生PWM控制信號(hào)送入舵機(jī)，保證無人機(jī)平穩(wěn)飛行。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the small UAV flight platform

2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)平臺(tái)任務(wù)劃分，分別對(duì)ARM、DSP處理器進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。針對(duì)ARM主處理器需要完成U-boot內(nèi)核引導(dǎo)程序、Linux內(nèi)核、yaffs根文件系統(tǒng)的移植，建立起嵌入式ARMLinux系統(tǒng)，基于此開發(fā)環(huán)境進(jìn)行驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用程序開發(fā)。針對(duì)DSP從處理器主要基于CCS集成開發(fā)環(huán)境，使用C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言完成數(shù)據(jù)處理。

ARM處理器主要包括初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊，其中數(shù)據(jù)采集模塊包括A/D轉(zhuǎn)換、串行通訊和無線通訊等。初始化模塊主要完成對(duì)ARM系統(tǒng)時(shí)鐘、中斷寄存器、外部存儲(chǔ)器的操作，保證串口、AD7490等的正常工作。數(shù)據(jù)采集模塊使用計(jì)數(shù)方式產(chǎn)生不同時(shí)間間隔的定時(shí)中斷，在中斷服務(wù)程序中完成對(duì)A/D轉(zhuǎn)換、串口等數(shù)據(jù)的采集并存入雙口RAM IDT7028L。

DSP處理器主要包括初始化模塊、控制律解算模塊。初始化模塊保證DSP系統(tǒng)正常工作。為滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，控制律解算模塊通過設(shè)置合理的定時(shí)間隔讀取雙口RAM中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行控制律解算，向舵機(jī)輸出PWM控制信號(hào)。在解算過程中考慮到A/D轉(zhuǎn)換、串行通訊、無線傳輸具有不同的刷新速率，刷新速率較慢的數(shù)據(jù)使用歷史值作為當(dāng)前值。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Flow chart of the software design

3 關(guān)鍵技術(shù)解決

飛控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是移植Linux操作系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)底層驅(qū)動(dòng)的開發(fā)。

3.1 Linux系統(tǒng)移植

3.1.1 Bootloader的移植

文中選用U-boot-1.1.6作為系統(tǒng)的Bootloader，在源碼基礎(chǔ)上修改添加開發(fā)板硬件相關(guān)文件、配置選項(xiàng)。首先修改最頂層Makefile，在其中添加如下兩行：

smdk2440_config:unconfig

@$ （MKCONFIG） $ （@:_CONFIG= ） arm arm920t smdk2440 NULL s3c24x0

修改board/smdk2440/lowlevel_init.S完成SDRAM的配置，修改board_init函數(shù)完成對(duì)S3C2440系統(tǒng)時(shí)鐘的改動(dòng)，修改board/s3c2440/flash.c完成對(duì)Nor Flash的支持，修改driver/nand/nand.c等驅(qū)動(dòng)函數(shù)完成對(duì)Nand Flash等設(shè)備的支持，增加串口xmodem協(xié)議以便使用SecureCRT工具，增加“nand write”和“nand write.yaffs”等命令以燒寫內(nèi)核和 yaffs文件系統(tǒng)映像文件。 執(zhí)行“make s3c2440_config”和“make all”命令，對(duì)U-boot重新編譯，生成二進(jìn)制映像文件u-boot.bin，將其燒寫進(jìn)Nor Flash。

3.1.2 內(nèi)核的移植

首先配置內(nèi)核，確保內(nèi)核可以正確編譯。修改頂層Makefile，將如下代碼：

ARCH ?=$（SUBARCH）

CROSS_COMPILE?=

改為：

ARCH ?=arm

CROSS_COMPILE?=arm-linux-

根據(jù)U-boot對(duì)Flash的分區(qū)情況修改linux2.6.32/arch/

arm/mach-s3c2440/目錄下的mach-smdk2440.c等文件。修改drivers/mtd/nand下的s3c2440.c文件和arch/arm/plats3c24xx下的common-smdk.c文件，將相關(guān)設(shè)備注冊(cè)進(jìn)內(nèi)核，完成MTD分區(qū)。將yaffs2代碼通過腳本文件patch-der.sh給內(nèi)核打補(bǔ)丁的方式加入內(nèi)核。用make menuconfig命令進(jìn)入內(nèi)核配置界面，對(duì)內(nèi)核進(jìn)行裁剪，然后執(zhí)行“make dep”“make clean”“make zImage”命令生成內(nèi)核映像文件zImage。當(dāng)U-boot啟動(dòng)后就可以將內(nèi)核燒寫進(jìn)Nand Flash。

3.1.3 根文件系統(tǒng)的移植

鑒于訪問速度快的優(yōu)點(diǎn)，選擇YAFFS文件系統(tǒng)進(jìn)行移植。利用Busybox-1.7.0來創(chuàng)建/bin、/sbin等目錄下的可執(zhí)行文件，并在/dev目錄下創(chuàng)建必需的設(shè)備節(jié)點(diǎn)、在/etc目錄下創(chuàng)建必需配置文件、在/lib目錄下包含庫(kù)文件。

在Busybox-1.7.0目錄下執(zhí)行“make menuconfig”命令可進(jìn)入配置界面對(duì)Busybox進(jìn)行相關(guān)配置。修改Busybox根目錄的Makefile，使用交叉編譯器，修改后為：

ARCH ?=arm

CROSS_COMPILE?=arm-linux-

然后執(zhí)行 “make”命令編譯Busybox，執(zhí)行命令“make CONFIG_PREFIX=dir_path install”將其安裝在指定目錄dir_path下，再加載glibc庫(kù)。創(chuàng)建etc目錄下的etc/inittab、etc/init.d/rcS和etc/fstab文件，在/dev目錄下靜態(tài)創(chuàng)建各種節(jié)點(diǎn)，如/dev/mtdblock*、/dev/ttySAC*等。使用mdev初始化/dev和動(dòng)態(tài)更新，修改etc/fstab和etc/init.d/rcS使內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)運(yùn)行 mdev。 最 后 創(chuàng) 建 proc、mnt等 空 目 錄 。 使 用 命 令“mkyaffsimage”創(chuàng)建YAFFS文件系統(tǒng)映像文件，進(jìn)而燒寫到目標(biāo)板。

3.2 底層驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

3.2.1 AD7490驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

AD7490作為字符設(shè)備，其讀寫是以字節(jié)為單位的，采用可加載模塊化機(jī)制來開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。首先對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化，AD7490設(shè)備的初始化包括兩部分，一是對(duì)SPI工作方式、各控制寄存器和模式寄存器等配置參數(shù)，并將PIO配置為引腳外設(shè)控制；二是完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向Linux內(nèi)核注冊(cè)，調(diào)用函數(shù)register_chrdev（）實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模塊的注冊(cè)，調(diào)用函數(shù)unregiste_chrdev（）實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模塊注銷。

對(duì)于字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是通過file_operations結(jié)構(gòu)體中的成員函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)Linux的系統(tǒng)調(diào)用的。file_operations結(jié)構(gòu)體如下：

static struct file_operations AD7490_fops={

.owner= THIS_MODULE；

.llseek= NULL；

.read= ad7490_rd；

.write= ad7490_wr；

.open= ad7490_open；

.release=ad7490_close；

}；

構(gòu)造file_operations結(jié)構(gòu)中用到的各個(gè)成員函數(shù)，每個(gè)成員都對(duì)應(yīng)一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，當(dāng)用戶操作設(shè)備文件時(shí)系統(tǒng)調(diào)用通過設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)找到相應(yīng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，再通過file_operations中相應(yīng)函數(shù)指針，由該函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)控制。

最后編寫Makefile文件，執(zhí)行“make”命令進(jìn)行編譯，生成可執(zhí)行的.ko文件。編譯成功后在目標(biāo)板的映射目錄下執(zhí)行“insmod”命令進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，執(zhí)行“rmmod”命令實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)卸載。驅(qū)動(dòng)程序加載后，還需編寫A/D測(cè)試程序來驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)程序是否實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)功能。經(jīng)驗(yàn)證，該驅(qū)動(dòng)成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

3.2.2 IDT7028L驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

將雙口RAM IDT7028L作為塊設(shè)備編寫驅(qū)動(dòng)程序，利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū)，當(dāng)用戶進(jìn)程對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀寫請(qǐng)求時(shí)驅(qū)動(dòng)程序先查看緩沖區(qū)內(nèi)容，若能滿足要求就返回相應(yīng)數(shù)據(jù)，否則就調(diào)用相應(yīng)的請(qǐng)求函數(shù)進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。

首先對(duì)雙口RAM進(jìn)行初始化，配置寄存器、分配地址資源并初始化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、申請(qǐng)中斷和注冊(cè)設(shè)備[4]。調(diào)用函數(shù)register_blkdev（）實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)注冊(cè)，不使用請(qǐng)求隊(duì)列而是使用制造請(qǐng)求的方式實(shí)現(xiàn)I/O請(qǐng)求處理，分配gendisk，初始化gendisk，添加gendisk到系統(tǒng)中，調(diào)用函數(shù)unregister_blkdev（）實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)注銷。

類似于字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的file_operations結(jié)構(gòu)體，在塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)中有block_device_operations結(jié)構(gòu)體。定義結(jié)構(gòu)體如下：

static struct block_device_operations IDT7028L_fops={.owner= THIS_MODULE；

.open= idt7028_open；

.release=idt7028_close；

.ioctl= idt7028_ioctl；

.media_changed= idt7028_media_changed；

.revalidate_disk=idt7028_revalidate_disk；

.getgeo=idt7028_getgeo；

}；

實(shí)現(xiàn)block_device_operations結(jié)構(gòu)體中的各個(gè)函數(shù)，編寫Makefile文件，編譯、加載該驅(qū)動(dòng)模塊。經(jīng)測(cè)試程序驗(yàn)證，該驅(qū)動(dòng)成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

4 結(jié) 論

文中研究了ARM+DSP架構(gòu)的小型無人機(jī)飛行控制平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)，分析了系統(tǒng)功能模塊，給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程和關(guān)鍵技術(shù)的解決方法。實(shí)踐證明該方案合理可行，軟件可靠性高，系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)處理效果好的優(yōu)點(diǎn)。

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