無人機地面站綜合檢測臺設計

魯希團，田雪濤，呂 慧

（西安愛生技術集團公司 陜 西 西 安710065）

無人機地面控制站(簡稱地面站)是整個無人機系統的指揮控制中心，承擔著對無人機遠程監視與控制任務，是系統中極為關鍵的一部份。近些年，無人機行業迅速發展，地面站承擔的任務越來越多，外部的硬件接口與內部監控軟件功能逐漸增多。因此，對地面站檢測與調試成為生產階段不可缺少的一個環節。目前，由于專業設備缺少，很難實現對整個地面站進行獨立全面的檢測與調試，導致軟件與硬件中潛在問題只能在系統聯式后期或外場試飛階段發現，嚴重影響無人系統工作正常開展，造成了人力與物力上浪費。對此問題,本文提出了無人機地面站綜合檢測臺，能夠對地面站各項功能與性能進行檢測，盡早的發現問題，減少后期地面站設備的返廠維修。

1 系統構架

系統總體設計強調高度集成性，最大程度地提高系統的綜合功能，減少系統的質量和體積，同時考慮實際使用方便，要求系統能夠隨地面站位置移動。因此，整個系統集成在一個可移動式工作臺中，在工作臺側面預留外部檢測接口，外形如圖1。硬件遵循模塊化設計，由CPU模塊工業控制計算機和擴展模塊組成，系統硬件與測試接口如圖2所示。

圖1 系統外形及測試接口Fig.1 The structure and test interface of the test bench

圖2 硬件與測試接口Fig.2 Hardware and test interface of the test bench

1)工業控制計算機以CPU模塊為核心部件，通過PCI總線板與各模塊進行數據交換，實時采集接口的數據。

2)通過RS232串行接口接收操縱臺控制器與車外操縱器的發出的遙控數據；

3)通過RS422接收地面站對外發送的遙控數據、地面天線伺服控制數據，并向地面站發送遙測仿真數據、檢測臺回報數據、地面天線狀態仿真數據；

4)通過A/D接口板，將馬力控制量、飛機姿態控制量、航向控制量以及任務載荷比例控制量轉換為數字量信號；

5)通過開關指令接口接收飛行控制指令、任務控制指令等觸發式指令。

6)通過網絡接口接收地控制站的導航監控軟件、飛行監控軟件、任務監控軟件發出的各類參數與指令。

2 硬件設計

目前CPU模塊系統應用呈現通用化、小型化、多層次的發展趨勢，在電子或控制工程領域起重要的角色。隨著CPU模塊與操作系統和軟件兼容性日益提高，使得標準型、通用型CPU模塊倍受技術人員青睞[1]，為開發PC構架的計算機系統提供了新思路與方法，設計人員僅需開發相應的接口單元，便可滿足使用要求。本系統采用德國控創JRexplus-690 CPU模塊，具有體積小、擴展性強、低功耗、寬電壓供電等特點。RS232串行接口卡與RS422串行接口卡為成熟貨架類產品，分別選用MOXA公司的CP114I與CP104I型串口卡，基于 PCI總線，能夠保證與CPU模塊相互兼容，每類串行接口卡能夠同時接收4路串口數據，并具有光電隔離功能，支持遠距離通信，板卡自配備軟件開發包。

指令按鍵口（DI/O接口）與模擬口(A/D)為同一塊采集卡，工作原理如圖3所示。

圖3 指令按鍵與模擬量采集卡原理Fig.3 Principle of the card for collecting command key and analog

該采集模塊采用MCU（80C552）為處理器，內置8路8位DC5V的模擬量采集通道，實現與A/D口連接。指令按鍵動作通過CPLD芯片（EPM240）采集電平變化實現，CPLD通過并口再將數據傳輸給80C52[2]。80C52通過P2和P3并口與CH 365芯片連接，從而連接到PCI總線，實現與本檢測臺主系統數據通信。CH365芯片是一種新型實用、低成本、快速、簡易的的PCI接口芯片，不需要非常大的硬件驅動，給上層控制軟件的優化提供更多的時間，不需要花費大量時間在底層調試上[3]。采集模塊中鎖存器采用8位D鎖存器74HC373，程序存儲器為Intel 2864A，數據存儲器為80C552片內自帶。

3 軟件設計

檢測軟件采用Windows XP為運行環境，采用VC的MFC系統軟件開發平臺，軟件中的動態參數顯示畫面采用了GDI+開發設計，圖形化界面美觀、友好。整個軟件體系使用層次化框架，模塊化結構，如圖4所示，該軟件共分為4層，整個軟件從邏輯上劃分為任務應用管理層、各功能檢測測試執行層、設備驅動層（API）和硬件設備層（各硬件接口 ）4個抽象層，每一層為上層提供服務，同時又是下層的客戶，層次之間通過接口和協議進行交互，層內的內容被隱藏起來[4]。

圖4 軟件構成框架Fig.4 Software architecture of the test bench

對于接口 API函數，RS422、RS232采用MOXA公司的PCOMM組件[5]，不需要關心底層通信，僅調用上層的應用函數，就能夠實現串口數據的發送與接收，串口數據接收采用10ms定時掃描方式。網絡通信采用系統自帶的CSocket類，采用TCP與UDP兩種通信協議。A/D以及開關量接口采用PCI總線協議，通過配置KPeiConfiguration類寄存器，建立DMA_DEVICE對象，以DMA傳輸模式與CPU通信，A/D以中斷方式采集數據，對于開關量，通過逐行掃面8行8列矩陣線上電平變化，來判斷外部開關或按鍵動作。

接口檢測模塊主要針對硬件接口進行檢測，采用的是外部數據與檢測結果對比分析方法判斷各類接口模塊工作狀態。

遙測遙控模塊、地面天線模塊針對地面站整體性能進行檢測，主要通過串行接口與地面站進行數據交互，在這兩類模塊中分別嵌入了飛行仿真模塊與數據鏈管理模塊，向地面站提供遙測數據與地面天線伺服狀態數據，并實時接收地面站發出的遙控數據與伺服控制指令。飛行仿真模塊主要包含無人機滾轉、俯仰、飛行航向、高度、發動機轉速與各缸的溫度、油量、風門、GPS數據、導航等方面模擬功能[6]。數據鏈管理模塊包含機載與地面的定向天線、全向天線的信號跟蹤、GPS數字引導等仿真功能。

飛行監控模塊、任務監控模塊與導航監控模塊針對地面站內部單個軟件進行功能性檢測[7]，根據地面站內部通信特點，此三類模塊部分別通過網絡與地面站相關軟件實現數據交互[8]，檢測軟件接收到相應數據后，根據數據幀結構及格式，顯示指令代碼與參數，供檢測人員直觀的判斷。

數據記錄模塊通過VC中的CFile類將檢測數據以十六進制寫入硬盤，并通過80 ms定時方式，以TCP/IP協議向地面站回傳檢測數據。任務管理模塊承擔著各模塊的初始化，相互協調、優先級配置、數據采集等功能，并為本軟件的提供人機接口，進行參數動態圖形化顯示，如圖5所示，主要有飛行姿態顯示、航向顯示、發動機狀態、高度與速度等參數顯示。

圖5 檢測軟件人機界面Fig.5 Interface of the test software

4 結論

本檢測臺已開始在某型無人機地面站生產與調試階段使用，使用結果表明，檢測臺具有以下優點：

1)能夠對地面站硬件接口以及導航監控軟件、飛行監控軟件、任務監控軟件各項功能與參數進行檢測；

2)采用可移動式控制臺，能夠隨地面站的位置靈活移動，在地面站的檢測與售后維修工作中，給操作人員帶來很大方便；

3)檢測臺軟件中嵌入了飛行仿真模塊，有助于操縱手進行飛行訓練、深入了解無人機系統工作原理；

4)軟件遵循模塊化設計，并在協議中預留相關接口，在一定時期內，能夠滿足系統升級。

目前用戶要求該設備隨無人機系統配套，部分設備已經交付，隨著地面站系統復雜化的發展，本檢測臺在地面站生產階段或售后維修中將是不可缺少設備。

[1]耿通奮．無人機實時飛行仿真平臺設計[J].南京航空航天大學學報,2009,41(z1)：34-37.GENG Tong-fen．Real-time simulation system for UAV[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,2009,41(z1):34-37.

[2]鄭采君．基于CPLD的矩陣鍵盤掃描模塊設計[J].電子設計工程,2010,18(10)：169-174.ZHENG Cai-jun.Design of matrix keyboard scanning module based on CPLD[J].Electronic Design Engineering,2010,18(10)：169-174.

[3]余林，張厚武，姚凱學．基于FPGA和單片機的PCI數據采集卡[J]．儀表技術與傳感器,2011(12)：108-110.YU Lin,ZHANG Hou-wu Yao,Kai-xue.Design of PCI data acquisition card based on FPGA and microcontroller[J].Instrument Technique and Sensor,2011(12)：108-110.

[4]路藹梅，李新軍，何進，等．一種無人機通用綜合檢測系統[J]．北京航空航天大學學報,2006,32(1)：27-30.LU Ai-mei,LI Xin-jun,HE Jin,et al.General integrative test system Of unmanned aeriaI vehicle[J].Beijing University of Aeronautics and Astronatics,2006,32(1)：27-30.

[5]王曉偉，陳亮，程龍．通過串口通信實現網間數據傳送[J]．中國新信，2013(23)：121.WANG Xiao-wei,CHEN Lang,CHENG Long.Network Data transmission based on serial communication[J].China New Telecommunications,2013(23)：121.

[6]云超，李小民，鄭宗貴，等．飛行操作任務的無人機模擬訓練及系統設計[J]．火力與指揮控制,2013,38(8)：121-126.YUN Cha，LI Xiao-min，ZHENG Zong-gui，et al.Technology researching of training and system design for UAV simulator based on flying operate task[J].Fire Control&Command Control,2013,38(8)：121-126.

[7]沈傳兵，白文浩，崔海，等.動力系統試驗工藝參數監視系統設計[J].火箭推進，2014（4）：73-76.SHEN Chuan-bing，BAI Wen-hao，CUI Hai，et al.Design of process parameter monitoring system for rocket propulsion system test[J].Journal of Rocket Propulsion,2014（4）：73-76.

[8]何志勇，宋少偉，鄧長華，等.瞬態時域數據合成沖擊響應譜算法研究[J].火箭推進，2013（5）：55-59.HE Zhi-yong，SONG Shao-wei ，DENG Chang-hua，et al.Research on transient time-domain data synthesis of shock response spectrum[J].Journal of Rocket Propulsion,2013(5)：55-59.