CN111694305A - 一种异构多核无人机控制计算机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种异构多核无人机控制计算机，包括三个CPU模块、两个MIO模块、两个图像处理模块以及电源变换模块，CPU模块通过单机内总线连接MIO和图像处理模块；CPU模块、MIO模块和图像处理模块均通过内部总线连接Flexray总线，同时通过Flexray总线外扩连接外部设备；三个CPU模块之间通过CCDL进行数据和信息交换,电源变换模块分别为CPU模块和MIO模块提供电源；本发明用异构多核以及多余度同步的计算机系统架构和模块的设计实现了高性能的无人机控制计算机集中式管理，能实现基于异构多核的综合数据处理、模拟量输入输出、数据量输入输出、串行总线的输入输出以及Flexray总线和硬线同步的同步方式的余度设计，实现飞行的自主控制，提升了无人机控制计算机的性能和可靠性。

Description

一种异构多核无人机控制计算机
技术领域
本发明属于一体化控制计算机领域，具体涉及一种异构多核无人机控制计算机。
背景技术
目前无人机控制计算机的性能和可靠性的要求在不断提升，现有无人机控制计算机的设计基于多余度设计思路，每个余度采用DSP+FPGA单核处理器设计，余度之间采用点对点的通讯链路完成数据通讯，这种设计方式使得控制计算机的处理性能有限，针对例如自主飞行控制等需要大数据量计算的应用，需要添加单独的高性能处理模块完成，造成整个数据流控制相对分散，不能在集中式处理平台上进行统一的数据处理，降低系统的工作效率。另外，多余度之间的同步方法单一，一旦发生不能同步的故障，将造成系统不能正常工作。
发明内容
为了解决了现有技术中存在的问题，本发明公开了一种异构多核无人机控制计算机，采用异构多核以及异构余度同步设计方案，采用基于4核PPC、异构的DSP以及硬线同步/Flexray总线异构余度的同步设计的一种无人机控制计算机，其计算性能高，同步的可靠性高。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种异构多核无人机控制计算机，包括三个CPU模块、两个MIO模块、两个图像处理模块以及电源变换模块，CPU模块通过单机内总线连接MIO和图像处理模块；CPU模块、MIO模块和图像处理模块均通过内部总线连接Flexray总线，同时通过Flexray总线外扩连接外部设备；三个CPU模块之间通过CCDL进行数据和信息，交换电源变换模块分别为CPU模块和MIO模块提供电源。
CPU模块包括PPC模块和FPGA模块；FPGA模块设有RS422接口和LVDS接口，RS422接口用于和外部通信，LVDS用于内部模块通信，FPGA模块与PPC模块通过IFC总线连接，通过FPGA模块实现CCDL总线的数据接收发送控制，FPGA模块通过数据总线连接Flexray总线模块，电源变换模块为Flexray总线模块以及PPC模块提供电源。
PPC模块设有以太网接口，所述以太网接口能用于传输调试接口信号，PPC模块接有复位模块。
MIO模块包括处理器、FLASH以及SDRAM，MIO模块通过FPGA模块实现外部接口的数据转换与控制、输出通道的使能、自身的健康信息的采集处理以及FLEXARY接口时序控制，FPGA模块通过RS422驱动和LVDS驱动实现系统的所有对外接口的管理和控制。
MIO模块的包括DSP模块和FPGA模块，MIO模块的FPGA通过SPI总线和DA器件连接；MIO模块的FPGA和AD采集模块通过并行总线连接。
MIO模块设有用于地面调试用的逻辑信号接口。
CPU模块和MIO之间通过高速串行LOCALBUS总线连接，CPU模块和图像处理模块之间采用高速数据通道连接。
MIO模块处理器DSP6713，主频100MHz；CPU模块处理器采用T1040PowerPC，主频800MHz。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明用异构多核以及多余度同步的计算机系统架构和模块的设计实现了高性能的无人机控制计算机集中式管理，能实现基于异构多核的综合数据处理、模拟量输入输出、数据量输入输出、串行总线的输入输出以及Flexray总线和硬线同步的同步方式的余度设计，实现飞行的自主控制，提升了无人机控制计算机的性能和可靠性；采用Flexray总线的物理层同步方式、20ms硬件同步以及软件的双线握手同步，这种异构的多余度同步方式可以保证系统同步的可靠性，单故障或双重故障下不影响系统的同步功能，同步精度可达到μs级。
附图说明
图1为本发明一种可实施的计算机架构图。
图2为本发明一种可实施的CPU结构示意图。
图3为本发明一种可实施的IO示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细阐述。
异构多核无人机控制计算机包括三个CPU主处理器、两个MIO主处理器、COU内存、CPU非易失存储体、CPU网络接口、CPU中断、离散路48路、离散量输出48路、模拟量输入12路、模拟量输出通道8路、串行输入接口；
本发明是基于异构多核以及异构余度同步机制的无人机控制计算机的设计方案，是目前在民用运输、森林防护等方面无人机上的主要控制计算机，基于4核PPC、异构的DSP、硬线同步/Flexray总线异构余度同步方式进行的设计，能实现3余度的4核PPC的CPU、2余度的DSP和FPGA的MIO以及3余度电源转换的异构多核设计，整个处理性能可达到单核工作主频1.4GHZ。
具体方案如下：
CPU模块通过单机内总线连接MIO和图像处理模块，CPU模块、MIO和图像处理模块通过内部总线和Flexray总线互连，同时可通过Flexray总线外扩连接外部设备，三个CPU模块之间通过CCDL进行数据和信息交换。
FPGA模块设有RS422接口和LVDS接口，RS422接口用于和外部通信，LVDS用于内部模块通信，FPGA模块与PPC模块通过IFC总线连接，FPGA模块通过数据总线连接Flexray总线模块。
电源变换模块为系统提供1.8V、1.2V、3.3V、5V以及12V电源；电源变换模块为PPC模块提供5V电源，为FPGA模块提供1.8V、1.2V以及3.3V电源，电源变换模块为Flexray总线模块提供5V、12V以及3.3V；FPGA模块设有用于地面调试用的逻辑信号接口；PPC模块设有以太网接口，所述以太网接口能用于传输调试接口信号，PPC模块还连接有复位模块。
图1为系统架构示意图，系统架构采用3+2+2余度，三个CPU模块、两个MIO以及两个图像处理模块，三个CPU模块之间有CCDL以及同步硬线信号作为CPU模块同步和健康信息的互传通道，CPU模块和MIO之间通过高速串行LOCALBUS总线连接，实现数据流的传递，CPU和图像处理模块之间采用高速数据通道实现图像数据的传输和数据处理后的结果传输，同时CPU和MIO以及图像处理板之间还通过FLEXRAY总线实现互联，以实现和外部系统的连接以及本系统内部数据总线的备份。
图2是CPU模块的实现框图，采用T1040的四核PPC处理器模块实现数据处理和系统的管理，FPGA模块实现CCDL总线的数据接收发送控制，时序转换和译码等逻辑；CPU模块和FPGA之间通过IFC总线实现互连；MRAM与FPGA模块通过FLEXRAY总线连接，MRAM实现关键数据的周期保存；电源交换模块实现三次电源的转换。
图3为MIO模块的实现框图，包括处理器、FLASH以及SDRAM，FPGA实现所有外围接口的数据转换与控制、输出通道的使能、自身的健康信息的采集处理、FLEXARY接口时序控制以及通过外部接驱动器件包括RS422驱动和LVDS驱动实现系统的所有对外接口的管理和控制；电源模式实现三次电源的变换以及自身电源的健康状态的监测；另外FPGA模块通过SPI总线和DA器件连接，控制DA的输出；FPGA模块和AD采集模块通过并行总线连接，实现AD信号的采集；FPGA还生成自激励信号和输出通道的回采控制。
本发明用异构多核以及多余度同步的计算机系统架构和模块的设计实现了高性能的无人机控制计算机集中式管理，能实现基于四核PPC的综合数据处理、模拟量输入输出、数据量输入输出、串行总线的输入输出、Flexray总线和硬线同步的同步方式的余度设计，实现大容量存储器和飞行的自主控制，提升无人机控制计算机的性能和可靠性，能实现3余度的4核PPC的CPU模块、2余度的DSP和FPGA的MIO模块以及3余度的电源转换的异构多核的设计，整个处理性能可达到单核工作主频1.4GHZ。
MIO模块通过内总线接有外部FLASH和SDRAM，MIO模块与CPU还通过LVDS总线互连。
高可靠的异构多余度同步机制：采用Flexray总线的物理层同步方式、20ms硬件同步以及软件的双线握手同步，这种异构的多余度同步方式可以保证系统同步的可靠性，单故障或双重故障下不影响系统的同步功能，同步精度可达到μs级；
本发明异构多核无人机控制计算机可以实现整个系统数据的综合计算和对无人机的自主控制，包括高性能处理系统，外部多种数据接口，Flexray同步控制，整体架构框图如图1所示，具体技术指标如下：
1)CPU模块：PowerPC T1040器件，主频800MHz；
2)MIO模块：DSP6713，主频100MHz
3)COU内存：2GB DDR3L，数据位宽72bit(带ECC校验)，速率1000MT/s；
4)CPU非易失存储体:MRAM：2M；
5)CPU网络接口：2路10M/100M/1000M自适应以太网接口；
6)CPU支持VxWorks6.9操作系统；
7)CPU中断：支持外部4路中断IRQ0～IRQ3；
8)离散路48路，其中44路：28V地/开离散量；4路：发动机转速输入信号(差分输入)；
9)离散量输出48路，44路地/开信号(OC信号)；一次电源28V地；4路发动机转速输出(300mV)(采用运放输出)；
10)模拟量输入12路；
11)模拟量输出通道8路，输出范围为-10V～10V；
12)串行输入接口RS422/RS232/RS485：36路输入，29路输出；
13)工作模式：3个CPU+2个MIO余度；
14)设计产品的外形尺寸为：266(±0.5)mm×270(±0.5)mm×233(±0.5)mm；
15)重量：不大于14.0kg；
16)电源：28V,DC，电源功耗不大于180W；
在某无人机中，采用该飞控计算机，成功飞行100架次，实现了快递运输、森林防火侦查等任务。

Claims (8)

1.一种异构多核无人机控制计算机，其特征在于，包括三个CPU模块、两个MIO模块、两个图像处理模块以及电源变换模块，CPU模块通过单机内总线连接MIO和图像处理模块；CPU模块、MIO模块和图像处理模块均通过内部总线连接Flexray总线，同时通过Flexray总线外扩连接外部设备；三个CPU模块之间通过CCDL进行数据和信息，交换电源变换模块分别为CPU模块和MIO模块提供电源。
2.根据权利要求1所述的异构多核无人机控制计算机，其特征在于，CPU模块包括PPC模块和FPGA模块；FPGA模块设有RS422接口和LVDS接口，RS422接口用于和外部通信，LVDS用于内部模块通信，FPGA模块与PPC模块通过IFC总线连接，通过FPGA模块实现CCDL总线的数据接收发送控制，FPGA模块通过数据总线连接Flexray总线模块，电源变换模块为Flexray总线模块以及PPC模块提供电源。
3.根据权利要求2所述的异构多核无人机控制计算机，其特征在于，PPC模块设有以太网接口，所述以太网接口能用于传输调试接口信号，PPC模块接有复位模块。
4.根据权利要求1所述的异构多核无人机控制计算机，其特征在于，MIO模块包括处理器、FLASH以及SDRAM，MIO模块通过FPGA模块实现外部接口的数据转换与控制、输出通道的使能、自身的健康信息的采集处理以及FLEXARY接口时序控制，FPGA模块通过RS422驱动和LVDS驱动实现系统的所有对外接口的管理和控制。
5.根据权利要求4所述的异构多核无人机控制计算机，其特征在于，MIO模块的包括DSP模块和FPGA模块，MIO模块的FPGA通过SPI总线和DA器件连接；MIO模块的FPGA和AD采集模块通过并行总线连接。
6.根据权利要求1所述的异构多核无人机控制计算机，其特征在于，MIO模块设有用于地面调试用的逻辑信号接口。
7.根据权利要求1所述的异构多核无人机控制计算机，其特征在于，CPU模块和MIO之间通过高速串行LOCALBUS总线连接，CPU模块和图像处理模块之间采用高速数据通道连接。
8.根据权利要求1所述的异构多核无人机控制计算机，其特征在于，MIO模块处理器DSP6713，主频100MHz；CPU模块处理器采用T1040PowerPC，主频800MHz。
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