CN115690942A - 一种无人机机载can_fd和fc-ae-1553数据记录仪 - Google Patents
一种无人机机载can_fd和fc-ae-1553数据记录仪 Download PDFInfo
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Abstract
一种无人机机载CAN_FD和FC‑AE‑1553数据记录仪涉及无人机技术领域。解决现有无人机数据记录仪存在续航时长较短的问题。本发明包括主控计算机、通讯模块和数据存储模块；主控计算机分别与通讯模块、数据存储模块实现数据交互；主控计算机包括PL模块、PS模块和AXI总线；PL模块通过AXI总线与PS模块实现数据交互；通讯模块包括CAN_FD通讯接口模块和FC‑AE1553通讯接口模块；PL模块用于控制CAN_FD通讯接口模块和FC‑AE1553通讯接口模块实现数据的采集和传输；PS模块用于对通讯模块采集到的数据进行处理，控制数据存储模块进行数据的存储。本发明适用于无人机的机载数据记录。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域。
背景技术
在太阳能无人机飞行试验及飞机研制阶段，需要机载数据记录仪对各系统发送过来的飞参数据进行不间断的采集和存储。飞行任务结束后，可以回收这些原始数据用来分析无人机的工作情况，为故障分析和试验评估提供可靠的依据，也可作为改进老机型和测试新机型性能的数据来源。现有的无人机数据记录仪的续航时间多以小时计，存在续航时长较短的问题，同时无人机数据记录仪的容量也较小。
现有的无人机数据记录仪基本上不是为长滞空时间的无人机专门研制，记录时间多以小时计，存在记录仪的容量较小记录时长较短的问题，无法满足滞空时间长达1月的太阳能无人机的需求。
现有的太阳能无人机机载FlexRay数据记录仪，记录仪主处理器价格昂贵，成本高，不利于推广，且该设备专门用来记录FlexRay通讯数据，适用于使用FlexRay通讯的太阳能无人机，不能记录使用CAN_FD和FC-AE-1553通讯的无人机数据。
发明内容
本发明解决现有无人机数据记录仪存在续航时长较短的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪,所述数据记录仪包括主控计算机、通讯模块和数据存储模块；
所述主控计算机分别与所述通讯模块、所述数据存储模块连接，实现数据交互；
所述主控计算机包括PL模块、PS模块和AXI总线；
所述PL模块通过所述AXI总线与所述PS模块，实现数据交互；
所述通讯模块包括CAN_FD通讯接口模块和FC-AE1553通讯接口模块；
所述PL模块用于控制CAN_FD通讯接口模块和FC-AE1553通讯接口模块实现数据的采集和传输；
所述PS模块用于对所述通讯模块采集到的数据进行处理，控制所述数据存储模块进行数据的存储。
进一步，还有一种优选实施例，上述PL模块包括CAN_FD控制模块和CAN_FD控制逻辑单元；所述CAN_FD控制模块包括CAN_FD分频器、FIFO存储单元和命令信号逻辑单元；
所述分频器用于给所述CAN_FD控制逻辑单元提供所需频率的时钟；
所述FIFO存储单元与所述CAN_FD控制器连接，实现数据交互；
所述命令信号逻辑单元与所述FIFO存储单元连接，实现控制逻辑交互，并将所述控制逻辑发送给所述CAN_FD控制逻辑单元。
进一步，还有一种优选实施例，上述PL模块还包括FC-AE1553控制模块和FC-AE1553控制逻辑单元；所述FC-AE1553控制模块包括FC-AE1553分频器、FC-AE1553译码器和FIFO存储单元；
所述FC-AE1553分频器用于为所述FC-AE1553控制逻辑单元提供所需频率的时钟；
所述FC-AE1553译码器用于为所述FC-AE1553控制逻辑单元提供编译解码；
所述FIFO存储单元用于获取所述光纤协议芯片存储空间内的数据，实现数据传输。
进一步，还有一种优选实施例，上述CAN_FD通讯接口模块包括收发器、隔离电路和CAN_FD控制器；
所述收发器用于采集数据并进行电平信号转换；
所述隔离电路分别连接所述收发器和CAN_FD控制器，用于实现电气隔离和电源隔离；
所述CAN_FD控制逻辑单元通过所述CAN_FD控制器与所述隔离电路连接，用于实现CAN_FD的通讯协议。
进一步，还有一种优选实施例，上述FC-AE1553通讯接口模块包括光模块和光纤协议芯片；
所述光模块用于采集数据并实现电平转换；
所述FC-AE1553控制逻辑单元通过所述光纤协议芯片与所述光模块连接，用于实现FC-AE1553的通讯协议。
进一步，还有一种优选实施例，上述数据记录仪还包括以太网接口模块，所述太网接口模块与主控计算机连接，用于实现存储数据的地面读取。
进一步，还有一种优选实施例，上述以太网接口模块包括网络物理芯片和网络接口；
所述网络物理芯片用于发送和接收以太网的数据帧，实现与所述上位机之间的数据传输；
所述网络接口在所述PS模块中实现，通过所述网络接口中的RGMII总线与所述网络物理芯片相连，使用所述网络物理芯片与所述PS模块的MAC层进行数据通信。
进一步，还有一种优选实施例，上述PS模块包括AXI总线控制单元、ARM核、网络接口和PCIE接口；
所述AXI总线控制单元，用于对AXI总线进行控制；
所述ARM核，用于运行嵌入式Linux操作系统，完成所述通讯模块的配置、数据接收、数据存储和管理的功能；
所述网络接口与所述ARM核相连，用于根据所述ARM核的控制实现存储数据的地面下读取；
所述PCIE接口，用于连接所述数据存储模块，实现数据的存储。
进一步，还有一种优选实施例，上述PS模块内部还嵌入有计算机软件实现的数据管理模块；
所述数据管理模块，用于选择存储路径，创建计数文本CAN_FD_data_n.txt和FC_AE_1553_data_n.txt，其中n为文件数，通过轮询的方式不间断地检测所述FIFO存储单元中是否存在有效数据，若检测到所述FIFO存储单元中有相应数据，即将数据存放到相应名称的文本中，当文本中的数据容量达到单个文本存储上限时，另存为新的文本中，并一直反复循环查询直至测试结束。
进一步，还有一种优选实施例，上述主控计算机还包括外围电路模块，所述外围模块用于配置所述主控计算机以及保障主控计算机实现基本功能。
本发明的有益效果为：本发明利用CAN_FD通讯接口和FC-AE1553通讯接口收集数据，CAN_FD通讯接口和FC-AE1553通讯接口具有体积小、总量轻和功耗低的优点，可以有效解决现有无人机数据记录仪存在续航时长较短的问题。
与现有技术相比，本发明产生了如下几个优点：
1、现有机载数据记录仪以FlexRay为通讯接口，与FlexRay通讯接口连接的处理器，价格昂贵，成本高，不利用大范围使用，而且只能与FlexRay通讯接口连接，不能与其它通讯接口连接，通讯适用范围窄。本发明提供一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪，利用CAN_FD通讯接口和FC-AE1553通讯接口收集数据，使用现有机载数据记录仪的处理器无法与CAN_FD通讯接口和FC-AE1553通讯接口连接，需要选用另一种处理器进行连接。并且与CAN_FD通讯接口和FC-AE1553通讯接口连接的处理器，价格便宜，经济实惠，可以大范围使用。并且无人机用CAN_FD和FC-AE-1553通讯数据记录设备领域尚属空白，在使用CAN_FD、FC-AE-1553通讯接口的超长滞空无人机试验中，缺乏适用的续航时间长的CAN_FD、FC-AE-1553通讯数据记录仪。
2、现有太阳能无人机需要机载数据记录仪对各系统发送过来的飞参数据进行不间断的采集和存储，但现有的无人机机载数据记录仪续航时间多以小时计，存在续航时长较短的问题。本发明提供一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪，利用CAN_FD通讯接口和FC-AE1553通讯接口收集数据，具有体积小、总量轻和功耗低的优点，使得本发明所述的无人机机载数据记录仪可以续航达30天，提高了无人机机载数据记录仪的续航时间，为无人机的测试、改型、故障分析和试验评估提供可靠的数据来源。
3、本发明提供了一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪，填补无人机用CAN_FD通讯接口和FC-AE1553通讯接口的空白，针对该型无人机使用CAN_FD通讯需求和FC-AE1553通讯需求，设计CAN_FD接口和FC-AE1553接口，在单片机上实现设备控制程序和通讯控制逻辑，有效减小设备体积，提高可靠性。
本发明适用于无人机的机载数据记录。
附图说明
图1是实施方式一和实施方式八所述的一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪的电气原理图；
图2是实施方式二和四所述的CAN_FD通讯的电气原理图；
图3是实施方式三和五所述的FC-AE1553通讯的电气原理图；
图4是实施方式七所述的千兆以太网通讯框图的电气原理图；
图5是实施方式九所述的数据管理软件执行流程图；
图6是实施方式十所述的外围电路模块的电气原理图。
其中：1是CAN_FD通讯接口模块，2是FC-AE1553通讯接口模块。
具体实施方式
实施方式一.参见图1说明本实施方式，本实施方式所述一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪，所述数据记录仪包括主控计算机、通讯模块和数据存储模块；
所述主控计算机分别与所述通讯模块、所述数据存储模块连接，实现数据交互；
所述主控计算机包括PL模块、PS模块和AXI总线；
所述PL模块通过所述AXI总线与所述PS模块，实现数据交互；
所述通讯模块包括CAN_FD通讯接口模块和FC-AE1553通讯接口模块；
所述PL模块用于控制CAN_FD通讯接口模块和FC-AE1553通讯接口模块实现数据的采集和传输；
所述PS模块用于对所述通讯模块采集到的数据进行处理，控制所述数据存储模块进行数据的存储。
本实施方式在实际应用时，主控计算机选用Zynq7000系列中的XC7Z020芯片实现，所述XC7Z020芯片集成了双核ARM Cortex-A9、Neon协处理器和FPGA可编程逻辑，具有小型化的优点，另外，双核ARM Cortex-A9自带各种管路接口，可运行Linux系统，方便用户二次开发。无人机机载数据主要为飞参数据和载荷数据，通讯系统对飞参数据和载荷数据进行采集，并发送到PL系统，PL系统将所述无人机机载数据进行处理，并通过PS系统将无人机机载数据发送到SD存储系统进行存储。飞行任务结束后，可以回收飞参数据和载荷数据，用来分析无人机的工作情况，为故障分析和试验评估提供可靠的依据，也可作为改进老机型、测试新机型性能的数据来源。
现有太阳能无人机需要机载数据记录仪对各系统发送过来的飞参数据进行不间断的采集和存储，但现有的无人机机载数据记录仪续航时间多以小时计，存在续航时长较短的问题。本实施方式提供一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪，利用CAN_FD通讯接口和FC-AE1553通讯接口收集数据，具有体积小、总量轻和功耗低的优点，使得本发明所述的无人机机载数据记录仪可以续航达30天，提高了无人机机载数据记录仪的续航时间，为无人机的测试、改型、故障分析和试验评估提供可靠的数据来源。
实施方式二.参见图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪中的PL模块作举例说明，所述PL模块包括CAN_FD控制模块和CAN_FD控制逻辑单元；所述CAN_FD控制模块包括CAN_FD分频器、FIFO存储单元和命令信号逻辑单元；
所述分频器用于给所述CAN_FD控制逻辑单元提供所需频率的时钟；
所述FIFO存储单元与所述CAN_FD控制器连接，实现数据交互；
所述命令信号逻辑单元与所述FIFO存储单元连接，实现控制逻辑交互，并将所述控制逻辑发送给所述CAN_FD控制逻辑单元。
本实施方式在实际应用时，CAN_FD控制模块内部设有时钟单元，所述时钟单元输出的信号通过分频器进行分频，然后给CAN_FD控制逻辑单元提供所需频率的时钟；FIFO存储单元与所述CAN_FD控制逻辑单元连接，实现数据的发送与接收以及当前状态的数据交互，FIFO存储单元将控制逻辑命令通过命令信号逻辑单元发送给CAN_FD控制逻辑单元。
实施方式三.参见图3说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪中的PL模块作举例说明，所述PL模块还包括FC-AE1553控制模块和FC-AE1553控制逻辑单元；所述FC-AE1553控制模块包括FC-AE1553分频器、FC-AE1553译码器和FIFO存储单元；
所述FC-AE1553分频器用于为所述FC-AE1553控制逻辑单元提供所需频率的时钟；
所述FC-AE1553译码器用于为所述FC-AE1553控制逻辑单元提供编译解码；
所述FIFO存储单元用于获取所述光纤协议芯片存储空间内的数据，实现数据传输。
本实施方式在实际应用时，FC-AE1553分频器用于将时钟单元的输出信号进行分频，为FC-AE1553控制逻辑单元提供所需频率的时钟；FC-AE1553译码器将逻辑信息进行编译解码，FIFO存储单元用于获取所述光纤协议芯片存储空间内的数据，实现数据传输。
实施方式四.参见图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一和二任意一项所述的一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪中的CAN_FD通讯接口模块作举例说明，所述CAN_FD通讯接口模块包括收发器、隔离电路和CAN_FD控制器；
所述收发器用于采集数据并进行电平信号转换；
所述隔离电路分别连接所述收发器和CAN_FD控制器，用于实现电气隔离和电源隔离；
所述CAN_FD控制逻辑单元通过所述CAN_FD控制器与所述隔离电路连接，用于实现CAN_FD的通讯协议。
CAN_FD通讯相比于传统的CAN通讯，数据传输速率和数据带宽两个方面进行了改进，CAN_FD通讯在传输过程中存在标称位速率和数据位速率2种位速率，FD通讯在数据段可以使用数据位速率进行传输，最高数据传输速率为5Mbps，其余部分使用标称位速率，传输速率仍与CAN相同，即最高为1Mbps，此外传统CAN_FD通讯最多只有8个字节的数据数，CAN_FD通讯最多的数据数增加到了64个字节，具有更快的数据传输，因此CAN_FD具有更快的数据传输速率和更大的数据场长度，有可靠性高、实时性强以及出错率低等优点。
实施方式五.参见图3说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一和实施方式三任意一项所述的一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪中的FC-AE1553通讯接口模块作举例说明，所述FC-AE1553通讯接口模块包括光模块和光纤协议芯片；
所述光模块用于采集数据并实现电平转换；
所述FC-AE1553控制逻辑单元通过所述光纤协议芯片与所述光模块连接，用于实现FC-AE1553的通讯协议。
本实施方式在实际应用时，光模块采用HTS4301-NH-SD05YY实现，具有体积小、总量轻、功耗低等优点。光纤协议芯片采用BK-SC1720ME实现，具有大数据传输消息数据存储空间支持单缓冲、循环缓冲、光纤链路错误检测、功耗低的优点。
实施方式六.本实施方式是在实施方式一所述的一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪的基础上增加以太网接口模块，所述太网接口模块与主控计算机连接，用于实现存储数据的地面读取。
本实施方式在实际应用时，选用以太网PHY芯片KSZ9031RNX实现，具有网络传输速率高，并提供了简化的千兆位介质独立接口RGMII，可直接连接到XC7Z020系统的MAC层进行数据通信。
实施方式七.参见图4说明本实施方式。本实施方式是对实施方式六所述的一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪中的以太网接口模块作举例说明，所述以太网接口模块包括网络物理芯片和网络接口；
所述网络物理芯片用于发送和接收以太网的数据帧，实现与所述上位机之间的数据传输；
所述网络接口在所述PS模块中实现，通过所述网络接口中的RGMII总线与所述网络物理芯片相连，使所述网络物理芯片与所述PS模块的MAC层进行数据通信。
本实施方式在实际应用时，可连接到Zynq XC7Z020的PS端的GPIO接口上，通过RGMII接口与PS系统的MAC层进行数据通信。
实施方式八.参见图1说本实施方式。本实施方式是对实施方式一所述的一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪中的PS模块作举例说明，所述PS模块包括AXI总线控制单元、ARM核、网络接口和PCIE接口；
所述AXI总线控制单元，用于对AXI总线进行控制；
所述ARM核，用于运行嵌入式Linux操作系统，完成所述通讯模块的配置、数据接收、数据存储和管理的功能；
所述网络接口与所述ARM核相连，用于根据所述ARM核的控制实现存储数据的地面下读取；
所述PCIE接口，用于连接所述数据存储模块，实现数据的存储。
实施方式九.参见图5说明本实施方式。本实施方式是对实施方式一和实施方式二任意一项所述的一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪中的PS模块作举例说明，所述PS模块内部还嵌入有计算机软件实现的数据管理模块；
所述数据管理模块，用于选择存储路径，创建计数文本CAN_FD_data_n.txt和FC_AE_1553_data_n.txt，其中n为文件数，通过轮询的方式不间断地检测所述FIFO存储单元中是否存在有效数据，若检测到所述FIFO存储单元中有相应数据，即将数据存放到相应名称的文本中，当文本中的数据容量达到单个文本存储上限时，另存为新的文本中，并一直反复循环查询直至测试结束。
实施方式十.参见图6说明本实施方式。本实施方式是在实施方式一所述的一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪的基础上增加外围电路模块，所述外围模块用于配置所述主控计算机以及保障主控计算机实现基本功能。
本实施方式在实际应用时，外围电路模块包括电源管理电路、时钟配置电路、QSPIFlash电路、DDR3 SDRAM电路、SD电路、JTAG下载调试电路以及启动配置电路，其中，电源管理电路还为其它外设提供部分电源，DDR3 SDRAM电路用于系统大容量数据缓存，Flash是掉电非易失存储器件，在使用中作为系统的启动设备来存储系统的启动镜像；SD电路用于存储系统大容量数据和系统文件。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换、改进等。均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪，其特征在于，所述数据记录仪包括主控计算机、通讯模块和数据存储模块；
所述主控计算机分别与所述通讯模块、所述数据存储模块连接，实现数据交互；
所述主控计算机包括PL模块、PS模块和AXI总线；
所述PL模块通过所述AXI总线与所述PS模块，实现数据交互；
所述通讯模块包括CAN_FD通讯接口模块和FC-AE1553通讯接口模块；
所述PL模块用于控制CAN_FD通讯接口模块和FC-AE1553通讯接口模块实现数据的采集和传输；
所述PS模块用于对所述通讯模块采集到的数据进行处理，控制所述数据存储模块进行数据的存储。
2.根据权利要求1所述的一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪，其特征在于，所述PL模块包括CAN_FD控制模块和CAN_FD控制逻辑单元；所述CAN_FD控制模块包括CAN_FD分频器、FIFO存储单元和命令信号逻辑单元；
所述分频器用于给所述CAN_FD控制逻辑单元提供所需频率的时钟；
所述FIFO存储单元与所述CAN_FD控制器连接，实现数据交互；
所述命令信号逻辑单元与所述FIFO存储单元连接，实现控制逻辑交互，并将所述控制逻辑发送给所述CAN_FD控制逻辑单元。
3.根据权利要求1所述的一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪，其特征在于，所述PL模块还包括FC-AE1553控制模块和FC-AE1553控制逻辑单元；所述FC-AE1553控制模块包括FC-AE1553分频器、FC-AE1553译码器和FIFO存储单元；
所述FC-AE1553分频器用于为所述FC-AE1553控制逻辑单元提供所需频率的时钟；
所述FC-AE1553译码器用于为所述FC-AE1553控制逻辑单元提供编译解码；
所述FIFO存储单元用于获取所述光纤协议芯片存储空间内的数据，实现数据传输。
4.根据权利要求1和2任意一项所述的一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪，其特征在于，所述CAN_FD通讯接口模块包括收发器、隔离电路和CAN_FD控制器；
所述收发器用于采集数据并进行电平信号转换；
所述隔离电路分别连接所述收发器和CAN_FD控制器，用于实现电气隔离和电源隔离；
所述CAN_FD控制逻辑单元通过所述CAN_FD控制器与所述隔离电路连接，用于实现CAN_FD的通讯协议。
5.根据权利要求1和3任意一项所述的一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪，其特征在于，所述FC-AE1553通讯接口模块包括光模块和光纤协议芯片；
所述光模块用于采集数据并实现电平转换；
所述FC-AE1553控制逻辑单元通过所述光纤协议芯片与所述光模块连接，用于实现FC-AE1553的通讯协议。
6.根据权利要求1所述的一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪，其特征在于，所述数据记录仪还包括以太网接口模块，所述太网接口模块与主控计算机连接，用于实现存储数据的地面读取。
7.根据权利要求6所述的一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪，其特征在于，所述以太网接口模块包括网络物理芯片和网络接口；
所述网络物理芯片用于发送和接收以太网的数据帧，实现与所述上位机之间的数据传输；
所述网络接口在所述PS模块中实现，通过所述网络接口中的RGMII总线与所述网络物理芯片相连，使用所述网络物理芯片与所述PS模块的MAC层进行数据通信。
8.根据权利要求1所述的一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪，其特征在于，所述PS模块包括AXI总线控制单元、ARM核、网络接口和PCIE接口；
所述AXI总线控制单元，用于对AXI总线进行控制；
所述ARM核，用于运行嵌入式Linux操作系统，完成所述通讯模块的配置、数据接收、数据存储和管理的功能；
所述网络接口与所述ARM核相连，用于根据所述ARM核的控制实现存储数据的地面下读取；
所述PCIE接口，用于连接所述数据存储模块，实现数据的存储。
9.根据权利要求1和2任意一项所述的一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪，其特征在于，所述PS模块内部还嵌入有计算机软件实现的数据管理模块；
所述数据管理模块，用于选择存储路径，创建计数文本CAN_FD_data_n.txt和FC_AE_1553_data_n.txt，其中n为文件数，通过轮询的方式不间断地检测所述FIFO存储单元中是否存在有效数据，若检测到所述FIFO存储单元中有相应数据，即将数据存放到相应名称的文本中，当文本中的数据容量达到单个文本存储上限时，另存为新的文本中，并一直反复循环查询直至测试结束。
10.根据权利要求1所述的一种无人机机载CAN_FD和FC-AE-1553数据记录仪，其特征在于，所述主控计算机还包括外围电路模块，所述外围模块用于配置所述主控计算机以及保障主控计算机实现基本功能。
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2022
- 2022-09-20 CN CN202211143172.5A patent/CN115690942B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115690942B (zh) | 2024-07-16 |
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