微型飞行器测控系统总线方式的选择和应用

2006-05-07 15:49:34来源: 电子技术应用

根据目前的研究现状,微型飞行器的尺寸一般在25厘米以下,重量在几十克到500克之间。由于微型飞行器对有效载荷的体积和重量有严格要求,其测控系统也向着微型化的方向发展,测控功能多是由IC芯片完成。连接这些芯片,使之能相互协作,共同完成测控功能的介质就是总线系统。采用何种总线方式在很大程度上决定了芯片的选择才测控系统的布局。测控系统的芯片化和总线技术的线步是微型飞行器测控系统得以实现并不断发展的动力,也是其测控系统的特色所在。

目前,微型飞行器一般采用嵌入式微机系统、单片机系统和正在研究中的芯片系统作为设计测控系统的硬件基础。但是随着飞行器测控系统的微型化,嵌入式微机系统由于体积和重量上的原因将不再适用,单片机系统(其中包括DSP系统)是目前测控系统设计的主流,而集成度更高的测控芯片系统将成为微型飞行器测控系统发展的方向。本文将根据微型飞行器测控系统的特殊要求,说明基于单片机系统的总线设计特色以及一般性问题的解决方案,并介绍内部总线在测控芯片系统中应用时需要解决的问题。

1 微型飞行器测控系统的构成和特点

总线的选择和设计离不开具体的应用背景。要选择系统的总线方式,必须首先了解微型飞行器测控系统的结构和特点[1]。微型飞行器测控系统是用来接收、处理和发送微型飞行器中信号和数据的系统,测控系统一方面要完成特定状态下相关参数的测量,另一方面要对飞行器进行控制。从功能上可以将测控系统分为控制模块、传感器模块和执行器模块。其中,视频和GPS等系统可以归属于特殊功能的传感器,而数据发送则属于特殊功能的执行器。微型飞行器测控系统的功能结构如图1所示。

与常规的飞行器测控系统相比,微型飞行器测控系统在硬件结构上有以下特点:①由于空间和重量的限制,控制模块通常采用单芯片微控制器,各功能模块均在IC芯片基础上进行开发;②微型飞行器本身尺寸很小,所以各个模块和IC芯片之间的距离不能很远;③测控系统是单主机结构;④微型飞行器的重量小、响应快,数据传输要求实时和高速。从测控系统的信号上看,各种芯片所处理信号是不同的,例如,控制舵机的指令信号多是脉宽调制信号,而传感器的信号又有数字类和模拟类两种。此外,还有视频系统的图像信号等。这些信号需要在芯片间传递,被主控制单元统一处理。此外,这些信号和数据的流向是单向的,传感器系统提供信号和数据,经过微控制器运行后,成为控制指令和测试数据,分别输出到不同的执行器。这些特点使得微型飞行器测控系统在器件和总线方式的选择上都具有其特殊性。在设计测控系统时,首先要根据测控系统在设计上的要求,分析其信号和数据的种类以及在处理和传输上的特点,规划信号流程,从而保证测控功能的完成。然后根据信号流程选择总线方式和芯片器件。作为信号和数据的载体和连接各个器件的桥梁,总线不仅要实现各个功能芯片之间信号和数据的共享,而且要保证数据和信号传输的高速性和可靠性。

2 总线的选择和应用

在测控系统中,使用何种总线方式是与系统的要求和芯片的选择紧密相连的。采用的总线不同,形成的测控系统也大相径庭。具体到微型飞行器测控系统中,还需要考虑实际的使用要求和被测对象的特点,包括:

·测控系统体积和重量的要求;

·微型飞行器测控系统本身的特点;

·测控系统的设计成本;

·与总线相匹配的外转帐功能器件的可获得性;

·微控制器和与之协作的微传感器和微执行器接口的统一性。

根据这些条件,可以选择不同的总线满足设计要求。总线可分为内部总线和外部总线。本文中内、外部总线是按照被连测控系统各个功能模块进行划分的。从这个意义上,基于单片机的测控系统采用的是外部总线方式,而测控芯片系统采用的内部总线方式。

2.1 外部总线

就目前的硬件水平,测控系统的各个功能分别由各自独立的芯片完成。主控制器一般采用单片机,通过外部总线和外围功能模块共同形成单片机扩展系统,这就使得外部总线大量应用于基于单片机系统的微型飞行器控系统。外部总线从传输的方式上又可以分为并行总线和串行总线。这两种总线有各自的优点和缺点,其比较结果如表1所示(表中的性能只是相对而)言。结合微型飞行器测控系统的特点,并考虑系统信号和数据传输的速度和可靠性,一般情况下,测控系统应尽可能地采用并行总线系统。

表1 串并行总线性能比较

  传输线 传输速度 传输距离 接口方式 可靠性
并行总线
串行总线



复杂
简单

在标准的并行总线中,数据信息、地址信息和控制信息独立使用各自的总线,又称为三总线结构。考虑到微型飞行器测控系统是单主机结构,在使用并行总线时,一种方法是利用地址和控制总线对特定的外围芯片进行操作,这些外围芯片能处理一些变化的模拟信号,转化为数据后,存放在自身的存储器中。微控制器通过片选信号直接访问存储器,获得信号数据。例如测控系统处理控制指令的过程,就是单片机通过三总线直接控制82C53芯片获得控制指令数据[2]。但连接在总线系统上的各个功能模块不仅仅是存储器和外设,也可能是其它微控制器,例如GPS和视频系统中的微控制器等。要想从这些模块中获得数据,就牵涉到并行总线上多个微控制器的数据共享问题。在实际的应用中可采取共享RAM的方法,具体的电路可参考本文提出的模型直升机测控系统设计实例,如图2所示。

    图2中,外围单片机的数据先写到一个多口RAM的不同单元中,如CY7C136芯片等。然后主单片机可以及时地从该RAM中获得所需要的数据。使用多口RAM一般存在两个问题:一是多个微控制器对一个多口RAM读写数据的操作冲突,即对RAM中的同一个单元的同时读或同时写的操作是不能被允许的, 但是在微型飞行器测控系统中信号和数据的流向是单向的,在很大的程度上解决了这个问题;第一个问题是如何保证所采集到的控制指令和姿态数据在同一个控制指令周期内,即主控制器从RAM中获得的数据必须能反映当前控制指令下的直升机姿态。由于微型飞行器的单主机结构,可以通过主控制器扩展外围的延时电路来保证所获得的数据均在同一个指令周期中。综上所述,使用多口RAM成为在测控系统中连接多个微控制器获得数据的一种常用方法。

在通常的情况下,由于微型飞行器测控系统的数据量大,传输速度要求高,应尽量使用并行总线。但这并不意味着并行总线是设计测控系统的唯一方法。在保证测控性能的前提下,使得系统在重量和体积上最小才是设计的目的。对一些已经提供了串口,并且对传输的速度要求不很高、传输数据量较少的传感器,如HMR3000数字罗盘,采用串行总线有其独特的优点:一是串行总线连接线少,总线结构比较简单,可大大简化系统的硬件设计;二是串行接口器件的安装、拆卸都非常方便,并且对总线上的其它集成芯片没有影响。所以在设计总线时,应当根据实际的情况结合使用不同的总线。在图2中,HMR3000数字罗盘与外围单片机之间是串行总线通信,而其它的芯片使用的是并行总线。

2.2 内部总线

内部总线是连接芯片内部各个功能模块的总线系统。内部总线传输速度快,性能稳定。要将内部总线应用到微型飞行器的测控系统中,首先要将各个功能模块集成到一个芯片上,形成一个芯片系统(SYSTEM ON CHIP)。内部总线的设计在很大程度上要依赖于功能模块芯片的选择及其在芯片内的布局。所以,内部总线在测控系统中的使用是和芯片系统的发展密切相关的。

从硬件电路上说,测控系统的体积和重量越来减小,飞行器的有效载重就越会提高,飞行器的布局空间就越大。所以不论微型飞行器的极限尺寸是多少,微型飞行器的测控系统必须向着微型化的方向发展。随着芯片技术的发展,在微控制器中将不仅仅是CPU、存储器、定时器等常规部件,对于微型测控系统而言,微控制器还需要集成特殊功能存储器、通信控制器、AD/DA、视频信号处理器、信号处理接口等模块化组件,甚至还要包括微传感器和微执行器。这些器件通过内部总线形成一个芯片系统[3~4],使得对微型飞行器测控系统的设计进入到芯片级。目前对芯片系统的研究多集中在对专用芯片的开发上。图3所示的TC35186F即为一个多模块化的芯片系统。内部总线就是要将图中的功能模块连接起来,实现信号和数据的共享。

尽管内部总线的性能要高于外部总线,但在现阶段的测控系统中,单片机系统及外部总线却是设计测控系统的主流,芯片系统并没有得到广泛的应用。这主要是因为微控制器、微传感器、微执行器以及信号处理技术在芯片系统中的使用还存在下面的问题,即用内部总线实现测控功能时面临的问题:

·由于各个微型飞行器的使用目的不同,芯片系统在功能和接口上的通用性、互换性必须得到满足。反映在总线设计上,就关系到模拟信号和数字信号和融合技术。

·将微传感器和微执行器集成到芯片系统中会严重地降低传感器的使用范围和执行器物理性能。与总线相关的就是如何实际微机电系统接口的设计。

·在测控系统信息处理过程中,如何解决其于多路传感器的数据融合技术,即芯片系统中微控制器的多通道处理对总线系统的要求。

只有完全解决了这些问题,芯片系统才能适用于微型飞行器的测控。目前,测控芯片系统虽然仍停留在研究实验阶段,但在解决以上问题中取得了大量的研究成果[5~6]。

采用总线方式将各个功能模块连接成为一个测控系统,可以有效地提高各个功能模块的工作效率,保证信号和数据传输的速度和可靠性。并且由于总线技术的进步,扩展了测控系统在功能器件、系统结构、信号规划等方面的选择。从总线设计的角度看目前微型飞行器测控系统的设计,会发现各个功能模块的选择不是孤立的,百是要根据整个系统在体积、重量、数据传输上的要求进行综合考虑。

从发展的角度看,总线的发展实际上是和芯片设计与制造同步的。芯片的制造和设计是从分立元件发展到超大规模垢集成电路,微型飞行器测控系统也将从各自独立的功能展到芯片系统。同样的,测迭系统的总线也将从连接相互独立的芯片发展到连接芯片系统内部的各功能模块,即从外部总线发展到内部总线。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/sensor/200605/1509.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部

小广播

About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新更新 手机版

站点相关: 安防电子 医疗电子 工业控制

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved