一種基于一體化信道的數據格式集成解譯器設計

【摘 要】無人飛行器測控系統是直接關系飛行任務成敗的關鍵系統，數據格式集成解譯器則是飛行器與測控系統下行鏈路的接口。本文分析了飛行器的測控需求，為簡化設備和節省頻譜資源，在一體化信道的基礎上對數據格式集成解譯器進行了設計和仿真。

【關鍵詞】無人飛行器；測控；數據格式集成解譯解譯器；一體化信道

0 引言

無人飛行器實時有效的指揮控制和情報信息準確快速的發送都依賴于測控數據鏈路[1]，下行測控鏈路傳輸信息為飛行器狀態信息和數據信息[2]，用于傳送飛行路徑和航行數據等內部狀態數據，以及傳輸傳感器數據流[3]。上下行數據鏈路有很強的非對稱性[4]。

近年來，我國無人飛行器測控技術相繼實現諸多技術突破，如一體化綜合信道體制、視頻數據壓縮編碼、機載設備輕量化等多個關鍵技術的應用[5]，同時通信設備正朝著集成化、小型輕量化、靈活通用化等趨勢迅猛發展，在這個大趨勢下，本文基于某無人飛行器的下行鏈路一體化信道，對數據格式集成解譯器進行了設計和仿真。

1 測控需求分析

無人飛行器姿態信息主要為加速度計和陀螺儀的解算數據，航跡信息為經緯度和高度數據，該飛行器直接采用姿態/GPS產品模塊，保障數據精度，減少了解算數據的資源開支；遙控指令的轉速控制信息在該飛行器上為脈寬調制數據，考慮到設備成本和數據的可靠性，選取輸出的部分飛控指令數據作為轉速采集數據；溫度信息主要為飛控/測控系統的工作環境溫度、飛行器外部大氣環境溫度、工作電動機溫度、機械變速箱溫度等，考慮對溫度實時性需求，采用溫度模塊（0.25℃分辨率，I2C總線協議）；電池電量信息主要為動力電池電量、控制系統單獨供電電池電量、啟動電機電池電量等，均采用電壓傳感器；視頻信息由攝像頭拍攝獲得。

視頻數據一般由靜態的圖像組成[6]，數據傳輸率一般為30幀/秒或25幀/秒，若傳輸幀數下降，視頻效果變差，但傳輸數據量會大大降低。視頻壓縮利用圖像冗余來降低像素平均所需比特數[6]，減少視頻數據的大小，考慮到測控數據傳輸壓力和對視頻的要求，選取480×320分辨率、256色彩、25幀/秒、1：15的無損圖像壓縮比的視頻數據，數據量為1.9531Mbps。若選取視頻幀數頻率為采樣頻率，則GPS數據、轉速數據和溫度數據量各為75bps，視頻數據傳輸將占用99.9%的數據帶寬。數據格式集成解譯器對視頻數據的處理好壞很大程度上決定了數據傳輸性能的優劣。

2 格式集成解譯器方案設計

測控需求直接影響設計方案邏輯工作量以及所使用仿真開發板的資源，將需求中多個類似通道的小數據和一個通道大數據簡化為GPS、溫度、轉速、視頻數據的設計方案。這種簡化減少了小數據通道處理的重復性，卻沒有減少設計方案中數據集成解譯的復雜性，同時數據可擴展，故簡化合理可行。

2.1 數據轉換方案

任務傳感器輸出信號格式各異，涉及的數據接口和數據傳輸協議不同，需數據格式集成器將信息格式統一并結合成信道能傳輸的幀格式數據，經過信道后再由數據格式解譯器將這些信息解譯出來，提供給地面站進行處理。

轉速數據為脈寬調制信號；NMEA-0183標準是GPS導航設備統一的標準協議； I2C為兩線式串行總線協議，具體見圖 1；視頻采集是圖像處理的前提，配置ADV模塊，匹配輸入模擬視頻制式。將模擬圖像數據處理為數字圖像數據，同時將數字圖像數據存儲到數據緩存模塊中，編碼模塊對圖像數據壓縮編碼。視頻采集數據的優劣直接決定圖像處理的結果[7]。

同時，需選取電路模塊，對端口降壓保護，保證I/O口的輸入電壓匹配處理芯片電壓要求。

2.2 時系控制方案

多路并行數據串行化后數據結合處理成數據幀，進入緩存，在數據格式化同步化過程中，數據控制總線起關鍵作用，這就對時鐘提出了高要求，時鐘抖動和誤差要在允許范圍內?？紤]到圖像數據處理周期和轉速、GPS、溫度數據處理周期差異，數據集成采取先同時采集處理多路并行數據，后統一數據串行化的方法，使數據串行化速度最快。

2.3 資源優化方案

根據測控需求，優化采集參數配置，使傳輸信道資源充分利用，減少通信負載對信道的沖擊和壓力，留有可擴展的空間。視頻數據占用轉速數據、GPS數據、溫度數據的剩余傳輸空間，看起來能充分利用信道帶寬，實則視頻數據所能增加的數據量很小，同時會帶來數據串行化的復雜性和不可靠性。為了保證不同通道的數據周期性，取其最小公倍數為最大采集傳輸頻率。

3 格式集成解譯器程序設計

基于格式集成解譯器的設計方案，對系統的設計程序分模塊設計，將系統功能劃分為時鐘生成模塊、使能信號產生模塊、轉速數據/GPS數據/溫度數據/視頻數據采集處理模塊、數據集成/解譯模塊。

對FPGA進行初始化，成功初始化后生成時鐘和使能信號，在復位信號允許的情況下進行多路并行采集，實時讀取數據，采取不同的時鐘和處理方法，將多路數據集成為串行數據輸出，最后對輸出的數據進行數據采集及解譯，獲得多路并行輸出信號。整體數據處理程序流程見圖 2。整體數據處理模塊程序見圖 3。

4 格式集成解譯器仿真和結果分析

FPGA芯片數據傳輸快，實時性能好，高速并行處理能力強大，可通過編程快速升級，能滿足電子系統小型化、高可靠、低功耗等需求。目前，全球60%的PLD/FPGA產品由Altera和Xilinx公司提供[8]。本文選用Altera公司的FPGA芯片作為格式集成解譯器的核心處理芯片。使用QuartusⅡ進行工作程序設計與編寫，使用Modelsim建立與工作程序對應的波形輸入文件。采用與實際精度相同的時間單位，定義輸入輸出變量，加載輸入數據信號，編譯文件，運行仿真。

根據格式集成解譯器數據處理程序，對各模塊聯合仿真分析。data _together功能模塊將采集的轉速數據（r_rotation）、GPS數據（r_gps）、溫度數據（r_temper）和視頻數據（r_video）處理為串行集成數據信號（s_out），仿真結果見圖 4。轉速數據、GPS數據、溫度數據同步采集，采集頻率25Hz，取自視頻數據25幀/秒，即在40ms內完成1228872個有用數據點的集成，余下371248個無用數據點為待擴展通道使用。圖4中可看出視頻數據和其他數據的在數據量上的巨大差別。

data_disperse功能模塊將輸入的串行集成數據（r_in）解譯。通過數據解譯使能信號（CLOCK_en）、輸出轉速數據（s_rotation）、GPS數據（s_gps）、溫度數據（s_temper）和視頻數據（s_video）。仿真結果見圖 5。在數據解譯過程中，解譯使能信號是關鍵數據，在40ms周期前32ms內將視頻數據解譯，后8ms內將其他數據解譯。最終將串行集成數據四路數據剝離，單獨輸出。對解譯出視頻數據與串行集成中的視頻數據進行時序比對，可看出數據一致，具體見圖 6。

5 結束語

針對某無人飛行器與測控系統之間的數據關聯與交互的問題，分析了測控需求，給出了格式集成解譯器的設計方案，并通過模擬仿真驗證了該設計方案，對無人飛行器的一體化信道設計有一定的現實指導意義。

【參考文獻】

[1]何一，王永生.L波段超寬帶微型無人機測控鏈路性能分析[J].科技導報，2008， 26（21）：34-37.

[2]楊殿亮，賀衛亮.一種無人飛行器測控信道初步設計[J].航空兵器，2015（01）：45-48.

[3]呂金龍，陳樹新.無人機衰落信道擴頻通信性能研究[J].電子技術應用，2010（3）：120-123.

[4]陳自力，孫錦濤，田慶民.無人機數據鏈路通道LMS和RLS自適應均衡性能比較[J].無線電工程，2003，33（11）：33-35，60

[5]涂強.無人機測控系統技術研究[D].成都：電子科技大學，2011.

[6]謝方，王立，郭麗艷.無人機仿真與控制系統數據交互[J].艦船電子工程，2007（3）：121-123.

[7]楊超，張玲，何偉.基于NiosII的低碼率實時H.264視頻編碼器[J].單片機與嵌入式系統應用，2008（11）：34-37.

[8]孫進平，王俊，李偉，等.DSP/FPGA嵌入式實時處理技術及應用[M].北京航空航天大學出版社，2011.9：6-13.

[責任編輯：楊玉潔]