基于双处理器的水下无人潜航器控制器的制作方法

1.本发明涉及水下无人潜航器技术领域，具体涉及一种基于双处理器的水下无人潜航器控制器。


背景技术：

2.近几年，随着经济的发展，人类对水下资源的探索和利用越来越广泛，水下无人潜航器对人类的海洋石油开发、海洋科学研究、海洋矿藏勘测、海底打捞救生等方面具有重要意义。随着现代信息技术的发展和世界各国对海洋的不断深入研究，水下无人潜航器已成为人类扩展海洋权益的重要工具。
3.水下无人潜航器控制器是潜航器的重要组成部分，作为水下潜航器的核心部件，对潜航器的性能起着决定性的作用。水下无人潜航器控制器主要包括上位工控机和下位控制器，上位工控机与下位控制器进行通讯。上位工控机为岸上指挥系统的重要组成部分，通过图形化编程及指令对下位机控制器进行相关运动控制。现有的水下潜航器下位机控制器主要采用dsp或arm芯片或pc104板卡，其中，dsp芯片的逻辑运算速度快，但其多线程处理能力较低，对于超多路外围io控制同步协调能力较差；而arm芯片有较强的多线程处理能力，但逻辑运算速度较慢；pc104板卡逻辑运算速度快、多线程处理能力强，但前提是需要扩展功能电路板卡，对不同接口的舵机和推进器电机及传感器兼容性差，且软件系统复杂、且占用空间大。
4.如今，随着计算机科学、传感器技术及其他相关学科及进步，小型化、模块化、功能多样化的水下无人潜航器已经成为界内研究的趋势，而水下潜航器只有兼具较强的多线程处理能力、较快的处理速度以及占用空间小、兼容性强等优点，才能保证水下潜航器控制的实时性、可靠性，但是现有的水下潜航器下位机控制器不能实现现在的要求。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提出了一种基于双处理器的水下无人潜航器控制器，能够并行处理多线程数据，同时可兼顾各外围设备控制及采集的电气接口及通讯协议，并且软件系统简单，具有小型化、轻型化、低成本的特点。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
7.本发明一种基于双处理器的水下无人潜航器控制器，包括岸上指挥系统上位机和下位机控制器；所述岸上指挥系统上位机包括工控机、无线数传模块、天线以及水声通讯模块；所述下位机控制器包括dsp6748和arm9双核处理器、fpga处理器和外围控制电路；
8.其中，dsp6748和arm9双核处理器为集成一体的浮点数字信号双核处理器，与fpga处理器并行总线连接；所述fpga处理器用于硬件接口设计和时序控制，其输入输出端接外围控制电路；所述外围控制电路用于驱动和采集各外围设备，包括串口电平转换、a/d、d/a、放大电路、隔离驱动电路以及数据存储；所述岸上指挥系统上位机与下位机处理器之间采用无线通讯和水声通讯方式，水下无人潜航器水面作业时与上位机通过无线数传模块进行
串口通讯；水下作业是与上位机通过水声通信模块进行串口通讯；
9.所述dsp6748和arm9双核处理器与fpga处理器共同实现底层驱动控制及采集，dsp通过并行总线对fpga进行读数据、写数据、读状态和写状态操作，控制fpga实现底层驱动控制；所述底层驱动控制包括推进器转速控制、推进器转速采集、舵机角度控制、各关键设备分步上电控制、惯导数据交互、多普勒计程仪数据交互、全球卫星定位系统数据交互、深度计采集、避障声纳采集以及漏水传感器数据采集。
10.其中，所述dsp6748和arm9双核处理器的dsp，一方面用于响应岸上指挥系统上位机通过无线数传和水声通讯传送的运动控制指令，执行遥控运动控制以及航迹控制等控制算法；另一方面通过岸上指挥系统上位机发送的任务模式命令进行自主运动控制算法的实现；
11.所述dsp6748和arm9双核处理器的arm，用于对dsp和sd卡等外设的管理，一方面实现对dsp的串口程序烧写功能，另一方面实现将dsp解算出的数据按一定格式存储于sd卡中。
12.其中，所述dsp6748和arm9双核处理器的dsp以及fpga处理器，经过串口电平转换电路将ttl电平转换为rs422或rs232电平，分别与惯导、gps、dvl、电池组、避障声纳、数据存储板、上位机以串口的形式进行数据交互。
13.其中，所述dsp6748和arm9双核处理器的dsp以及fpga处理器，与深度计通过i2c进行数据交互；通过判断漏水传感器高低电平来检测漏水传感器状态；经过a/d转换电路采集推进器转速状态电压，dsp进行比例解析转速。
14.其中，所述dsp6748和arm9双核处理器的dsp以及fpga处理器，输出的控制信息通过d/a转换电路和运算放大电路输出推进器模拟控制信号。
15.其中，所述转换电路采用16位da转换芯片ad5668，运算放大电路采用轨对轨芯片ad8397；电路设计为比例减法器u
tjq
＝1.2(u
dac1
‑
u
dac0
)，u
dac0
、u
dac1
电压范围为0～ 5v，则u
tjq
电压范围为
‑
6v～ 6v，通过dsp控制数字量限幅在
±
5v以内，u
tjq_speed_ad
＝0.47(5v
‑
u
tjq_speed
)，u
tjq_speed
的范围为0～ 5v。
16.其中，所述dsp6748和arm9双核处理器的dsp以及fpga处理器，输出舵机pwm信号经过隔离驱动电路，输出舵机控制信号。
17.其中，所述dsp6748和arm9双核处理器的dsp以及fpga处理器，输出继电器控制信号及led频闪信号，经驱动电路放大后用于继电器控制及频闪等闪烁，以实现推进器、4个舵机、惯导、dvl、gps的分部上电功能及频闪功能。
18.其中，所述串口电平转换芯片采用max3160和adm3490；所述a/d转换电路采用16位单路高速ad转换芯片ads8326；所述隔离驱动电路选用数字隔离栅极驱动器芯片adum4120；所述驱动电路选用数字隔离栅极驱动器芯片adum4120。
19.有益效果：
20.本发明在保证较快逻辑运算速度和强多线程处理能力的同时实现了轻型化、集成化、小型化，实现一块电路板完成外设驱动及控制算法实现，减少了产品设计空间，减轻了电路板的重量。具体地，本发明潜航器下位机控制器安装于水下潜航器上，选用芯片的尺寸非常小，电路板布板紧凑，全部电路包括控制器和外围电路均可容纳于一个2mm厚的多层电路板，包含各元器件尺寸可控在150mm*150mm范围内，总厚度不超过15mm，无需再像使用
pc104那样扩展各a/d、d/a、驱动电路外设电路、通讯电路等外围电路，实现了一体化设计；系统的时序和数据处理、控制算法均在一套dsp6748和arm9双核处理器的dsp处理器里通过软件实现，外围功能电路也具有处理器，由一套主控系统进行时序处理与实现，避免了以往多套系统之间通讯造成的软件误码和硬件故障等问题，提高了水下无人潜航器的可靠性。
21.本发明控制器省去了用于数据交互的串口芯片，节省了硬件资源，节约了设计成本，核心处理器集成了dsp核和arm核及fpga，具有较强多线程处理能力和较快的浮点运算速度，fpga承担了接口设计，使dsp专注控制算法，更加高效。
附图说明
22.图1为本发明为水下无人潜航器控制器组成框图。
23.图2为本发明水下无人潜航器下位机功能框图。
24.图3为本发明下位机控制器外围电路串口电平转换电路图
25.图4为本发明下位机控制器外围电路a/d转换电路图。
26.图5为本发明下位机控制器外围电路d/a转换电路图。
27.图6为本发明下位机控制器外围电路运算放大电路图。
28.图7为本发明下位机控制器外围电路隔离驱动电路图。
29.图8为本发明下位机控制器外围电路驱动电路图。
具体实施方式
30.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
31.本发明的一种水下无人潜航器控制器，既能并行处理多线程数据，且对数据的处理速度很快，同时可兼顾各外围设备控制及采集的电气接口及通讯协议，解决传统水下无人潜航器实时性、小型化、轻型化、低成本、软件系统复杂、外围电路扩展性差等问题。
32.本发明的水下无人潜航器控制器组成框图如图1所示，包括岸上指挥系统上位机和下位机控制器，所述岸上指挥系统上位机包括工控机、无线数传模块、天线以及水声通讯模块，所述下位机控制器包括dsp6748和arm9双核处理器、fpga处理器和外围控制电路；其中，dsp6748和arm9双核处理器为集成一体的浮点数字信号双核处理器，与fpga处理器并行总线连接；所述fpga处理器用于硬件接口设计和时序控制，其输入输出端接外围控制电路；所述外围控制电路用于驱动和采集各外围设备，包括串口电平转换、a/d、d/a、放大电路、隔离驱动电路、数据存储等，从而控制水平舵机和垂直舵机，以实现水下无人潜航器按规划航迹运动。所述岸上指挥系统上位机与下位机处理器之间采用无线通讯和水声通讯方式，水下无人潜航器水面作业时与上位机通过无线数传模块进行串口通讯；水下作业是与上位机通过水声通信模块进行串口通讯。
33.所述dsp6748和arm9双核处理器与fpga处理器共同实现底层驱动控制及采集，dsp通过并行总线对fpga进行读数据、写数据、读状态、写状态操作，控制fpga实现底层驱动控制。底层驱动控制包括推进器转速控制、推进器转速采集、舵机角度控制、各关键设备分步上电控制、惯导数据交互、多普勒计程仪(dvl)数据交互、全球卫星定位系统(gnss)数据交互、深度计采集、避障声纳采集以及漏水传感器数据采集等。
34.具体地，水下无人潜航器下位机控制器功能框图如图2所示，所述dsp6748和arm9
双核处理器的dsp，一方面用于响应岸上指挥系统上位机通过无线数传和水声通讯传送的运动控制指令，执行遥控运动控制以及航迹控制等控制算法；另一方面通过岸上指挥系统上位机发送的任务模式命令进行自主运动控制算法的实现。
35.下位机控制器外围电路串口电平转换电路图如图3所示，下位机控制器的dsp fpga双处理器，经过串口电平转换电路将ttl电平转换为rs422或rs232电平，分别与惯导、gps、dvl、电池组、避障声纳、数据存储板、上位机以串口的形式进行数据交互，本实施例串口电平转换芯片采用max3160和adm3490。
36.下位机控制器的dsp fpga双处理器，与深度计通过i2c进行数据交互；通过判断漏水传感器高低电平来检测漏水传感器状态；经过a/d转换电路采集推进器转速状态电压，dsp进行比例解析转速，本实施例a/d转换电路采用bb公司的16位单路高速ad转换芯片ads8326，a/d转换电路如图4所示。
37.下位机控制器的dsp fpga双处理器，输出的控制信息通过d/a转换电路和运算放大电路输出推进器模拟控制信号，本实施例d/a转换电路采用ad公司的16位da转换芯片ad5668，运算放大电路采用ad公司的轨对轨芯片ad8397，电路设计为比例减法器u
tjq
＝1.2(u
dac1
‑
u
dac0
)，u
dac0
、u
dac1
电压范围为0～ 5v，则u
tjq
电压范围为
‑
6v～ 6v，可通过dsp控制数字量限幅在
±
5v以内，u
tjq_speed_ad
＝0.47(5v
‑
u
tjq_speed
)，u
tjq_speed
的范围为0～ 5v，则u
tjq_speed_ad
的范围为0～ 4.7v，ads8326采集的范围为0～ 5v，满足采集要求，d/a转换电路和运算放大电路如图5、图6所示。
38.下位机控制器的dsp fpga双处理器，输出舵机pwm信号经过隔离驱动电路，输出舵机控制信号，隔离驱动电路选用ad公司的数字隔离栅极驱动器芯片adum4120，该芯片vdd1范围为2.5v～6.5v，vdd2范围为4.5v～35v，峰值输出电流为2.3a，具有较强的驱动能力，隔离驱动电路如图7所示。
39.下位机控制器的dsp fpga双处理器，输出继电器控制信号及led频闪信号，经驱动电路放大后用于继电器控制及频闪等闪烁，以实现推进器、4个舵机、惯导、dvl、gps的分部上电功能及频闪功能，驱动电路亦选用ad公司的数字隔离栅极驱动器芯片adum4120，驱动电路如图8所示。
40.所述dsp6748和arm9双核处理器的arm，用于对dsp和sd卡等外设的管理，一方面实现对dsp的串口程序烧写功能，另一方面实现将dsp解算出的数据按一定格式存储于sd卡中，便于数据读取，可用于调试、试验及应用过程中的故障排查与故障定位。
41.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。