多旋翼飞控芯片中MAVLink协议电路的设计与测试

发布时间：2017-06-29 17:17

  本文关键词：多旋翼飞控芯片中MAVLink协议电路的设计与测试，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着技术的进步和成本的降低,民用无人机领域的发展十分迅速。然而,国内外多旋翼无人机基本上使用的是MCU控制器的飞控系统,存在着数据采集和处理速度慢、精度低等缺点。基于FPGA设计飞控系统,不仅可以降低成本、提高精度和运算速度,而且FPGA设计的高可靠性、较短的设计周期、自顶向下的设计流程等特点,可以大幅提高系统的综合性能。为了使自主研发的飞控芯片能够与支持MAVLink协议的地面站Mission Planner进行通信,论文研究了MAVLink协议并对其进行了分析进而设计了MAVLink通信协议电路。论文完成了以下几个方面的工作:为了使飞控芯片采集到的传感器数据,能够通过数传传输给支持MAVLink通信协议的地面站软件Mission Planner。研究和分析了该协议,确定了10个用于传感器数据传输的MAVLink消息。在此基础上新增了自定义的消息,此消息用于对无人机的实时控制,从而设计了MAVLink通信协议电路的总体结构。为了适应不同传输速度的无线数传,设计了采用了相位累加原理能够以任意波特率传输数据的UART接口。为了解决MAVLink数据发送与接口速度不匹配,而设计了采用了异步FIFO的接收数据缓存电路和发送数据缓存电路,以提高UART接口与MAVLink数据发送的效率。设计了msgid生成电路、数据接收及存储电路、MAVLink数据缓存电路、MAVLink编码电路以及控制数据接收电路。这些电路能够实现获取数据、提取有效数据、对数据排序、对数据进行校验和编码以及对数据进行解析。用Modelsim对MAVLink通信协议电路及其子电路进行了功能仿真,随后在FPGA开发板对所设计的MAVLink通信协议电路进行了验证测试。通过分析仿真波形和串口调试软件以及地面站软件Mission Planner接收的数据,验证了本文设计的MAVLink通信协议电路能够按MAVLink协议编码发送传感器数据,并且能够接收和解码按MAVLink协议编码的控制数据消息。
【关键词】：飞控芯片 MAVLink协议 UART 编码 解码
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 选题背景及研究的目的与意义9-10
• 1.2 国内外研究现状及分析10-12
• 1.3 本文的主要研究内容12-13
• 第2章 无人机系统和MAVLink通信协议13-20
• 2.1 无人机系统13-15
• 2.1.1 无线数传13-14
• 2.1.2 Mission Planner14-15
• 2.2 MAVLink通信协议15-19
• 2.2.1 MAVLink通信协议简介15
• 2.2.2 MAVLink体系结构和数据帧结构15-17
• 2.2.3 MAVLink消息17-18
• 2.2.4 MAVLink协议通讯流程18-19
• 2.3 本章小结19-20
• 第3章 MAVLink通信协议电路设计20-53
• 3.1 MAVLink通信协议电路总体结构20-21
• 3.2 波特率产生电路设计21-23
• 3.2.1 产生任意波特率的算法21-23
• 3.2.2 波特率产生电路23
• 3.3 接收与发送电路设计23-27
• 3.3.1 异步串行通信的数据帧格式23-24
• 3.3.2 接收电路24-26
• 3.3.3 发送电路26-27
• 3.4 收发数据缓存电路设计27-30
• 3.4.1 数据发送缓存电路28-29
• 3.4.2 数据接收缓存电路29-30
• 3.5 msgid生成电路设计30-31
• 3.6 数据接收及存储电路设计31-34
• 3.7 MAVLink数据缓存电路设计34-40
• 3.7.1 32位数据转8位数据电路35-38
• 3.7.2 负载长度存储电路38
• 3.7.3 额外校验数据存储电路38
• 3.7.4 MAVLink数据排列电路38-40
• 3.8 MAVLink编码电路设计40-48
• 3.8.1 MAVLink校验算法电路40-41
• 3.8.2 消息序列产生电路41-42
• 3.8.3 普通消息MAVLink编码电路42-44
• 3.8.4 心跳包消息MAVLink编码电路44-46
• 3.8.5 中断产生电路与数据选择电路46-48
• 3.9 控制数据接收电路设计48-52
• 3.9.1 新增MAVLink消息48-49
• 3.9.2 控制数据接收电路49-52
• 3.10 本章小结52-53
• 第4章 MAVLink通信协议电路仿真与验证53-62
• 4.1 MAVLink通信协议电路的功能仿真53-57
• 4.1.1 接收和发送数据缓存电路的功能仿真53
• 4.1.2 msgid生成电路的功能仿真53-54
• 4.1.3 数据接收及存储电路的功能仿真54-55
• 4.1.4 MAVLink数据缓存电路的功能仿真55
• 4.1.5 MAVLink编码电路的功能仿真55-56
• 4.1.6 控制数据存储电路的功能仿真56-57
• 4.1.7 MAVLink通信协议电路的功能仿真57
• 4.2 基于FPGA的MAVLink通信协议电路测试57-61
• 4.2.1 FPGA硬件平台介绍57-58
• 4.2.2 MAVLink通信协议消息发送电路的验证58-60
• 4.2.3 MAVLink通信协议消息接收电路的验证60-61
• 4.3 本章小结61-62
• 结论62-63
• 参考文献63-68
• 致谢68

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