基于SmartFusion的无人机飞行控制系统设计
SmartFusion的主要特点和功能体现在：
(1)功能齐全的FPGA。SmartFusion器件具有Actel经过验证的基于快速闪存技术ProASIC3 FPGA架构，使用先进的130 nm七层快闪CMOS工艺技术，系统门密度范围为60K～500K，并具有350 MHz的工作频率和最多204个I／O。这种组合能够集成来自其他器件的现有功能，大幅减少线路板空间和总体系统的功耗。
(2)微控制器子系统。器件的智能性是以微控制器子系统的形式加入FPGA的，子系统带有100 MHz工作频率的ARM Cortex-M3处理器硬核，全部标准外设和功能包括：多层AHB通信矩阵，吞吐率高达16 Gb／s，带有RMI接口的10M／100M以太网MAC和SPI，I2C，UART和32位定时器。具有最高512 KB闪存，64 KB SRAM和外部存储器控制器(EMC)以及8通道DMA控制器。
(3)可编程模拟模块。创新性专有模拟计算引擎(ACE)能执行采样排序和计算，能够分担ARM Cortex-M3处理器的模拟初始化和处理任务，可编程模拟包括：精度为1％的ADC和DAC，多达3个采样频率为600KS／s的12位ADC，最多3个12位第一阶DAC、10个50 ns高速比较器并集成多种温度、电压和电流监控功能。
在这里，选用SmartFusion系列的A2F200M3作为核心芯片。它的MSS的主要功能是保持与地面站的通讯，采集姿态角数据和GPS定位数据，发送控制命令给FPGA，运行相关的飞行控制算法和导航控制算法等。FPGA架构的主要功能是采集与测量传感器的数据，接收MSS的命令与驱动舵机。FPGA分担了一部分原可以采用MSS来实现的任务，使MSS有更多的时问用于运行算法，以提高系统的整体性能。
外围接口电路主要由RS 232接口、GPS接口、SD卡接口、传感器信号采集通道、发动机转速测量通道、电池电压检测通道等组成。GPS和PC串口连接均需要1片MAX232芯片进行电平转换。SD卡用于存放飞行参数及图像数据。MSS与FPGA之间可通过GPIO进行数据传输。舵机驱动、无线接收机信号检测、信号控制等功能均由芯片的内部逻辑电路来实现，采用VerilogHDL语言编写。鉴于飞行控制和导航精度的要求，该模块选用了TI公司的A／D芯片TLC3548，用来采集三轴加速度计、高度传感器、三角速率陀螺输出的电压信号。A／D、驱动组成框图如图4所示。
3 软件设计
由于飞控计算机运行的程序复杂，信息量大，对实时性和稳定性要求高，采用单任务顺序机制的编程方式已不能满足飞控系统的要求，因此飞控软件采用了实时嵌入式操作系统μC／OS-Ⅱ。μC／OS-Ⅱ是专门为计算机的嵌入式应用而设计的实时操作系统，是可裁减的、基于静态优先级的可剥夺型多任务实时内核，具有高度可移植性，特别适合于微处理器和微控制器，其实时性能和内核的健壮性已在大量的实际应用中得到了证实。
飞控系统的应用程序分为初始化模块、数据采集模块、控制解算模块、姿态读取模块、GPS接收模块、遥测发送模块、控制量输出模块。任务与功能模块资源之间的关系如图5所示。飞行控制系统开始运行时，飞控计算机在完成自检后，首先进行惯性导航系统的初始对准及任务诸元装订，接收初始对准装置发送的初始姿态和位置信息，然后等待控制系统的启动命令。飞控系统启动后进行初始化设置，根据任务优先级、调用相应的程序模块完成预定任务，各个任务之间的公共数据采用共享变量的方式进行协同，但需要采取一定的保护措施。
4 结语
基于SmartFusion的无人机飞控系统具有体积小，精度高，运算速度快，可剪裁性的优点，特别是软件上采用μC／OS-Ⅱ实时操作系统，使飞控系统具有实时性的特点。该飞控系统已在某型无人机上得到了应用，飞行验证表明系统设计满足要求。本文设计的飞控系统具有一定的工程应用价值，为飞控系统的设计提供了借鉴。
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