一种基于ARM+FPGA的无人机地面
测控系统设计与实现
摘 要： 本文基于ARM+FPGA的嵌入式架构，实现单测控站对多目标无人机的可靠控制。其中，ARM微处理器主要负责各无人机GPS/北斗数据的解算，通过解算得到的方位角、俯仰角、天线阵列单元编号信息，完成对无人机的跟踪；FPGA作为协同处理器，一方面提供RS232/RS422/SPI数据接口和时序控制，另一方面完成无人机遥测、遥控数据的高速处理。整个系统采用TDMA（时分多址）的方式，通过对每个通信时隙的精确控制，实现单站远距离多目标无人机的可靠测控。本设计能够实现一站最多9架无人机的同时测控。
关键词： ARM；FPGA；无人机；TDMA
引言
测控系统作为无人机系统的重要组成部分，主要完成对无人机的遥控、遥测、跟踪定位，实现对机载任务载荷的远距离操纵以及侦察信息的实时传输、监视、记录及分发。在多 无人机协同作战技术快速发展的今天，测控系统的工作方式也由一站一机，发展到一站多机。
2.1 ARM功能介绍
控制解算模块是地面测控系统的核心。由ARM微处理器（STM32 Cortex-M3芯片）及其外围电路组成。实现功能需要的片内资源包括时钟模块、SPI接口模块、GPIO模块、外部中断、定时/计数器等。其主要实现的功能包括正北标定，与FPGA数据处理模块进行数据交互、多无人机的实时跟踪控制，与显示按键模块的输入输出响应等。
图 1 时分通信机制
测控协议帧头飞机号遥控帧内容校验位2字节1字节16字节2字节帧头2字节飞机号1字节遥测帧内容36字节校验位2字节1 设计原理
本文主要对一站多机的无人机测控地面测控系统实现进行介绍。该系统采用电扫描技术，对无人机具有TDMA(时分多址)+频分+空分的精确控制功能（如图1所示）。通过划分时隙，在每个通信时隙内，完成多组数据的交互。再通过ARM控制解算，完成对个无人机的精确跟踪，实现远距离多目标无人机的可靠测控。
地面测控系统采用ARM+FPGA的嵌入式架构。 其中，ARM微处理器采用STM32 Cortex-M3芯片，FPGA采用Xilinx Spartan6系列芯片。可以根据不同型号的无人机，来配置各路串口数据的波特率，也可以在线对遥控、遥测通道进行配置切换。
此外，此地面控制部分具有GPS数据导引跟踪及自动搜索功能，能够通过场强信息快速找到目标无人机。具有故障诊断识别功能和自动重捕功能。本次设计能够实现一站最多9架无人机的同时测控。
数据接口控制解算发送请求控制开关发送遥控数据收发缓冲接收遥测数据显示、解算、等待时隙缓冲接收、解析上一时隙的遥测数据飞机号1号飞机2号飞机3号飞机4号飞机……时隙110ms时隙2时隙3时隙4……时隙1……时隙2收发时隙8号飞机9号飞机时隙8时隙9
2.2 FPGA功能介绍
FPGA选取Xilinx Spartan6芯片（低功耗、低成本，同时具有多大150000个逻辑单元等，可以很好的满足设计所需资源量及系统的工作性能），通过SPI总线接口与ARM互联，配备有源晶振，同时选取12个引脚与12个串口互联，控制端口中，预留1各接口，以便升级，
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2 系统设计
功能框图如图2所示。
主要实现多路串口数据的收发及与ARM间的数据交互。FPGA内部定时器负责计时，当一个时隙到来，通知ARM进行高速天线开关的切换，ARM发出开关切换指令，同时把消息反馈给FPGA。FPGA延时几十纳秒后，收遥测指令并解析，再通过SPI总线输出给ARM，通过串口输出给指控设备；同步状态下收遥控指令，解析后经射频组件和天线发送。
2.3 硬件设计
2.3.1 正北标定
在无人机起飞前，利用瞄准镜/GPS组合方式进行正北标定。首先根据选择好的场地，确定测控地面站的站址点，用GPS/北斗定位，并记录其经纬度，作好标记。站址点确定后，不能任意移动，否则需重新进行标定过程。选取参照点，参照点与站址点应大于800m，设立长杆标志，移动长杆，确保其与瞄准镜的中垂线重合，用GPS/北斗定位，记录其经纬度。ARM微处理器根据两点的GPS坐标值，算出参照点到站址点的方位角，作为GPS/北斗跟踪时无人机处在哪个天线单元覆盖范围内的重要依据。
图 2 FPGA功能框图
射频组件UART_DUART11#机UART22#机UART3SPI3#机ARMUART44#机GPIOUART55#机UART66#机GPSUART_GFPGAUART77#机UART88#机标定接口UART_BUART99#机模拟场强UART_1A/DUART_2控制信号端口CLKUART_3有源晶振DCM 2.3.2 多无人机的实时跟踪控制
无人机起飞后初捕模式下。近场阶段，根据无人机的高度、距离切换到一低仰角的全向天线进行通信；远场阶段，自动在定向天线单元间依次切换进行搜索，确定每架无人机处于哪个定向天线单元覆盖范围之内，记录下对应天线单元编号，之后转入自动跟踪模式。如有无人机未能确定所在方位，将此无人机所对应天线编号统一设为某一定向天线单元，留待自动跟踪模式下，再进行搜索。
3 结论
3.1 仿真结果
ARM通过SPI接口配置1号无人机，波特率为19200（代号：01），ModelSim仿真结果如下图4所示。
目前，通过串口调试工具，设立9台飞控计算机与机载设备，同时与测控站互通，通信情况良好，误码率约10?6，且无丢包现象。 通过实际搭载飞行，实测情况下3架无人机同时在线时，通信情况良好。（由于条件所限，实际最大测试无人机数为3架。）
3.2 结论
通过理论模拟试验与实际飞行测试，证实本文提出的一站多机的数据处理方法是可行的。并且在数据通信可靠性方面，也满足通用测控站的要求。
图 3仿真结果图
图 4仿真结果图
作者简介： 辛海洋(1989—），男，陕西省，汉族，本科，职称，工程师，主要研究方向为中频数字信号处理；彭飞（1988—），女，江苏省，汉族，本科，工程师，主要研究方向为系统电磁兼容测试设计。
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