CN211956181U - 一种基于PowerPC+FPGA+ARM架构的飞控计算机 - Google Patents
一种基于PowerPC+FPGA+ARM架构的飞控计算机 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种基于PowerPC+FPGA+ARM架构的飞控计算机，包括PowerPC模块、FPGA模块、ARM模块。PowerPC模块是飞控计算机的核心，负责飞行关键任务的运算，它是FPGA模块、ARM模块的枢纽。FPGA与PowerPC通过LocalBus总线连接，然后连接ST16C654芯片扩展4路TTL串口，连接SJA1000与TJA1050芯片扩展CAN接口；ARM处理器与PowerPC通过SPI总线连接，利用ARM丰富的外设，扩展了多路串口采集电路、数模转换电路、模数采集电路、回收控制电路、机载电压监测电路。所述回收控制电路，采用双余度控制电路，来自FPGA和ARM处理器的两路I/O控制输出端都连接到功率输出电路的输入端，控制光耦继电器的闭合。所述数模转换电路，其输出端连接到模数采集电路的输入端，通过电压回采检测数模转换电路的可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及无人机航电技术领域，具体涉及一种基于PowerPC+FPGA+ARM架构的飞控计算机。
背景技术
目前，随着无人机功能和任务的复杂化，无人机系统执行机构众多，而且搭载的航电设备、任务载荷也越来越丰富。这要求飞控计算机具有较多数量的串行接口、CAN接口、模数采集接口、数模转换接口，此外还有功率控制输出功能。随着无人机技术的发展，对飞控计算机的运算处理能力、可扩展性、体积和重量也提出了越来越高的要求。
目前飞控计算机主要有PowerPC体系计算机、DSP加接口芯片体系的计算机、ARM加接口芯片体系的计算机等。PowerPC内核运算能力强，能够运行嵌入式实时操作系统，然而接口扩展时严重依赖专用接口芯片；DSP芯片缺点明显，接口单一，扩展性差；ARM内核处理器外设丰富，然而浮点运算能力相对较差，不能满足飞机越来越复杂的运算要求。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本实用新型提出一种基于PowerPC+FPGA+ARM架构的飞控计算机，该装置综合利用了PowerPC强大的运算能力、FPGA可编程的优点以及ARM处理器自主运算能力与外设丰富的特点，接口资源丰富、运算处理性能强、具有很高的扩展性和灵活性。
技术方案
一种基于PowerPC+FPGA+ARM架构的飞控计算机，其特征在于包括PowerPC模块、FPGA模块、ARM模块，PowerPC处理器与FPGA通过LocalBus总线连接，通过FPAG连接串口扩展芯片ST16C654、独立CAN控制芯片SJA1000T、电平转换芯片74HCT245，实现串口的扩展、CAN的快速收发、I/O端口电平的逻辑转换；PowerPC处理器与ARM处理器通过SPI总线连接，以ARM处理器为核心，扩展了串口采集电路、数模转换电路、模数采集电路、回收控制电路、机载电压监测电路；PowerPC处理器负责向ARM处理器发送控制指令，并读取ARM处理器采集的信息。
所述的回收控制电路是3个功率输出电路，电路完全相同，负责开伞火头、开气囊火头、抛伞火头的开关控制；所述的回收控制电路采用双余度控制方式，来自FPGA和ARM处理器的两路I/O控制端都连接到功率输出电路的输入端；此外，功率输出端连接反向器，再连接到ARM处理器I/O输入端，从而形成电压值的反馈。
所述数模转换电路和模数转换电路，采用AD7951芯片和AD5725芯片分别进行12位数模转换和14位模数转换；在模数转换芯片AD7951的输入端连接多路模拟开关芯片ADG426，可进行16路模拟通道数据的采集；为了检测数模转换值DAC的正确性，将4路模数转换电路的输出端连接到ADG426多路开关的输入端，进行数模转换电压值的回采。
有益效果
本实用新型提出的一种基于PowerPC+FPGA+ARM架构的飞控计算机，PowerPC、FPGA、ARM芯片都具有独立的数据处理能力，该装置运算能力强。通过三个核心芯片的组合，增加了该装置的可扩展性、硬件接口资源，将处理任务分配给PowerPC和ARM处理器，减小了单核的负载，运算处理能力强。特点如下：
1、FPGA通过LocalBus总线连接PowerPC，搭建串口扩展电路和CAN总线收发电路，扩展4路串口，1路CAN接口，8路I/O输出接口。
2、ARM处理器通过SPI总线与PowerPC相连，利用ARM处理器外设丰富的特点，扩展多路串口、数模转换电路、模数转换电路、回收控制电路、机载电压检测电路。
3、针对关键的回收控制电路，采用双余度控制电路，来自FPGA和ARM处理器的两路I/O接口都连接到功率输出电路的输入端，两路I/O互相备份。此外，光耦继电器输出端连接反向器，反向器输出端连接到ARM处理器I/O输入端。该电路既有输入电压，又有输出电压的采集，形成反馈。
4、ARM处理器芯片为STM32，所述数模转换电路和模数采集电路利用STM32 FSMC总线连接，分别进行12位数模转换和14位模数转换。其中，四路数模转换电路的输出端连接到模数采集电路的输入端，进行数模转换值电压值的回采,检测数模转换值是否正确。
附图说明
图1本实用新型硬件结构框图
图2本实用新型回收控制电路图
图3本实用新型模数采集电路示意图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本实用新型作进一步描述：
本实用新型所采用的技术方案是：飞控计算机主要包括PowerPC模块、FPGA模块、ARM模块，PowerPC模块分别与FPGA模块、ARM模块相连。飞控计算机以PowerPC微处理器为核心，通过LocalBus总线连接FPGA，搭建串口扩展电路、CAN总线收发电路和高速I/O电平输出电路；利用ARM处理器的丰富外设进行串口、模数采集电路、数模转换电路、回收控制电路、机载电压检测电路的扩展。
所述PowerPC处理器通过LocalBus总线与FPGA相连，首先PowerPC 12个IO端口连接串口扩展芯片ST16C654，扩展成4个TTL串口通道；连接SJA1000T芯片和CAN收发芯片TJA1050，实现CAN总线数据的收发；连接八路收发器74HCT245，实现5V IO端口的输出。
所述PowerPC处理器通过SPI总线与ARM处理器直连，PowerPC处理器为主机，ARM处理器为从机。以ARM内核的微处理器为核心，利用其丰富的外设接口扩展多路串口、数模转换电路、模数转换电路、回收控制电路、机载电压检测电路。PowerPC处理器负责向ARM处理器发送控制指令，并读取ARM处理器采集的信息。
所述回收控制电路，是3个功率输出电路，电路完全相同，负责开伞火头、开气囊火头、抛伞火头的开关控制。为了提高该电路的可靠性，采用双余度控制方式，来自FPGA和ARM处理器的两路I/O控制端都连接到功率输出电路的输入端。此外，功率输出端连接反向器，再连接到ARM处理器I/O输入端，从而形成电压值的反馈。
所述数模转换电路和模数转换电路，采用常用的AD7951芯片和AD5725芯片分别进行12位数模转换和14位模数转换。由于两个芯片所用的GPIO引脚资源较多，采用STM32内部高速总线FSMC总线进行ARM内核与芯片之间的信息交互。在模数转换芯片AD7951的输入端连接多路模拟开关芯片ADG426，可进行16路模拟通道数据的采集。为了检测数模转换值(DAC)的正确性，将4路模数转换电路的输出端连接到ADG426多路开关的输入端，进行数模转换电压值的回采。
所述机载电压监测电路，主要通过运算放大器前端与后端阻值比例调节机载电网一路电压、二路电压，利用STM32自带的ADC外设采集调节后的电压值，完成对供电电压的实时监测。
本实用新型采用PowerPC与FPGA、ARM的组合架构，参见图1，PowerPC处理器与FPGA通过LocalBus总线连接，通过FPAG连接串口扩展芯片ST16C654、独立CAN控制芯片SJA1000T、电平转换芯片74HCT245，实现串口的扩展、CAN的快速收发、I/O端口电平的逻辑转换。PowerPC处理器与ARM处理器通过SPI总线连接，以ARM处理器为核心，扩展了串口采集电路、数模转换电路、模数采集电路、回收控制电路、机载电压监测电路。PowerPC处理器负责向ARM处理器发送控制指令，并读取ARM处理器采集的信息。
回收控制电路采用的是双余度控制电路，参见图2，来自FPGA和ARM处理器的两路I/O控制端都连接到功率输出电路的输入端。任一路控制电压为高电平时，三极管V1导通，5V电压经电阻R3、光耦继电器AQV252G输入端、三极管V1的集电极和发射极，最终汇到GND，形成闭合回路，导致继电器输出端闭合，1.2A恒流源与输出端POUT导通。同时为了检测POUT端的电压是否正常，连接反向器CD74HC4049PW，将PTEST连接ARM的IO输入端。如果检测PTEST等于0，则有电压输出。反之，则无电压输出。作为反馈输入，可以判断控制电路有无故障以及控制电压是否到达。
参见图3，模数采集电路选用16路模拟开关芯片ADG426和14位模数转换芯片AD7951，将STM32芯片的FSMC 4位地址总线连接到ADG426的地址端，进行16路模拟输入的译码片选，当模数转换芯片AD7951的转换控制端、读数据端、片选端都为低电平时，芯片开始转换模拟电压。当检测到EOC输出端电平为高电平时，14位数字量转换完成。通过STM32芯片FSMC的14位数据总线读取转换的结果。16路模拟输入包含4路数模转换电路输出的模拟值，通过对数模转换电压值的回采，检验数模转换电路的可靠性。
Claims (3)
1.一种基于PowerPC+FPGA+ARM架构的飞控计算机，其特征在于包括PowerPC模块、FPGA模块、ARM模块，PowerPC处理器与FPGA通过LocalBus总线连接，通过FPGA连接串口扩展芯片ST16C654、独立CAN控制芯片SJA1000T、电平转换芯片74HCT245，实现串口的扩展、CAN的快速收发、I/O端口电平的逻辑转换；PowerPC处理器与ARM处理器通过SPI总线连接，以ARM处理器为核心，扩展了串口采集电路、数模转换电路、模数采集电路、回收控制电路、机载电压监测电路；PowerPC处理器负责向ARM处理器发送控制指令，并读取ARM处理器采集的信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于PowerPC+FPGA+ARM架构的飞控计算机，其特征在于：所述的回收控制电路是3个功率输出电路，电路完全相同，负责开伞火头、开气囊火头、抛伞火头的开关控制；所述的回收控制电路采用双余度控制方式，来自FPGA和ARM处理器的两路I/O控制端都连接到功率输出电路的输入端；此外，功率输出端连接反向器，再连接到ARM处理器I/O输入端，从而形成电压值的反馈。
3.根据权利要求1所述的一种基于PowerPC+FPGA+ARM架构的飞控计算机，其特征在于：所述数模转换电路和模数转换电路，采用AD7951芯片和AD5725芯片分别进行12位数模转换和14位模数转换；在模数转换芯片AD7951的输入端连接多路模拟开关芯片ADG426，可进行16路模拟通道数据的采集；为了检测数模转换值DAC的正确性，将4路模数转换电路的输出端连接到ADG426多路开关的输入端，进行数模转换电压值的回采。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113917879A (zh) * | 2021-10-29 | 2022-01-11 | 西安微电子技术研究所 | 一种基于PowerPC的小型化、高可靠测发控系统及工作方法 |
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2020
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| CN113917879A (zh) * | 2021-10-29 | 2022-01-11 | 西安微电子技术研究所 | 一种基于PowerPC的小型化、高可靠测发控系统及工作方法 |
| CN113917879B (zh) * | 2021-10-29 | 2023-05-16 | 西安微电子技术研究所 | 一种基于PowerPC的小型化、高可靠测发控系统及工作方法 |
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