無人機(jī)遙感平臺控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

無人機(jī)相比較衛(wèi)星和載人航空飛機(jī)遙感平臺而言，具有成本低、靈活性高的特點(diǎn)。為了滿足科學(xué)遙感實(shí)驗(yàn)、完成遙感作業(yè)任務(wù)、協(xié)調(diào)無人機(jī)電子吊艙中多組件工作、控制遙感影像傳感器姿態(tài)，系統(tǒng)以AT89S52為主控芯片，擴(kuò)展多路串口及USB接口以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外圍設(shè)備的通信，同時(shí)設(shè)計(jì)了相機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及三自由度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。通過無人機(jī)航空遙感實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠滿足遙感實(shí)驗(yàn)要求。

USB接口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)

USB口擴(kuò)展由CH375芯片實(shí)現(xiàn)。CH375是南京沁恒有限公司生產(chǎn)的USB總線的通用接口芯片。它的主要特點(diǎn)是價(jià)格便宜、接口方便、可靠性高。支持 USB-HOST主機(jī)方式和USB-DEVICE/SLAVE設(shè)備方式。CH375的USB主機(jī)方式支持常用的USB全速設(shè)備，外部單片機(jī)需要編寫固件程序按照相應(yīng)的USB協(xié)議與USB設(shè)備通信。但是對于常用的USB存儲設(shè)備，CH375的內(nèi)置固件可以自動(dòng)處理Mass-Storage海量存儲設(shè)備的專用通信協(xié)議，通常情況下，外部單片機(jī)不需要編寫固件程序。就可以直接讀寫USB存儲設(shè)備中的數(shù)據(jù)。CH375和單片機(jī)的通信有2種方式：并行方式和串行方式。USB擴(kuò)展電路原理圖如圖3所示，CH375芯片設(shè)置為內(nèi)置固件模式，使用12 MHz晶體。單片機(jī)P0口與CH375的D0~D7相連作為數(shù)據(jù)總線，譯碼器輸出Y4與CH375的CS相連片選該芯片，單片機(jī)A0與CH375的A0相連，可選擇CH375的地址或是數(shù)據(jù)輸入與輸出。當(dāng)A0為高電平是D0~D7的傳輸?shù)氖堑刂?，低電平時(shí)傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)。P3.6和P3.7分別控制CH375的讀寫操作。CH375的INT接單片機(jī)的INT1輸入端，當(dāng)有數(shù)據(jù)通過USB口輸入時(shí)產(chǎn)生中斷信號，通知單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)CH375芯片初始化后并成功與主機(jī)連通之后，指示燈亮。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

穩(wěn)定云臺控制即為三自由度步進(jìn)電機(jī)控制，即控制遙感傳感器的俯仰角、橫滾角和航向角使穩(wěn)定云臺保持水平(或垂直)狀態(tài)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)由THB6128芯片實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)只需輸出步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方向和脈沖信號即可達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的目的。

THB6128是高細(xì)分兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片，通過單片機(jī)輸出控制信號，即可設(shè)計(jì)出高性能、多細(xì)分的驅(qū)動(dòng)電路。其特點(diǎn)為雙全橋MOSFET驅(qū)動(dòng)，低導(dǎo)通電阻Ron=0.55 Ω，最高耐壓36 V,大電流2.2 A(峰值)，多種細(xì)分可選，最高可達(dá)128細(xì)分，具有自動(dòng)半流鎖定功能，快衰、慢衰、混合式衰減3種衰減方式可選，內(nèi)置溫度保護(hù)及過流保護(hù)。圖4為航向角步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，俯仰角、橫滾角步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與之相同。圖中CP1與U/D分別為單片機(jī)給出的驅(qū)動(dòng)脈沖與電機(jī)運(yùn)行方向控制信號。M1,M2,M3為電機(jī)驅(qū)動(dòng)細(xì)分?jǐn)?shù)選擇信號輸入，由撥碼開關(guān)人為控制。FDT1與VREG1分別為衰減模式選擇電壓與電流控制電壓輸入端。當(dāng)3.5 V時(shí)為慢衰減模式;當(dāng)為混合衰減模式;當(dāng)FDT1《0.8 V時(shí)為快衰減模式。調(diào)整VREG1端電壓即可設(shè)定步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流值。

CCD/相機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

CCD/相機(jī)驅(qū)動(dòng)由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS221和光耦合器P521實(shí)現(xiàn)。74LS221既可以下降沿觸發(fā)也可上升沿觸發(fā)，且都可以禁止輸出。其輸出的脈寬通過內(nèi)部補(bǔ)償獲得而不受外部電壓和穩(wěn)定影響，在大多數(shù)應(yīng)用中，脈寬只由外接的時(shí)控元件決定。CCD/相機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。圖示參數(shù)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器高電平持續(xù)時(shí)間約為33 ms，可根據(jù)相機(jī)的實(shí)際曝光時(shí)間的需要，改變電路的充電時(shí)間常數(shù)RC來調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)時(shí)間的長短。圖中Camera為單片機(jī)P3.5口，當(dāng)其為下降沿時(shí)，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出高電平，此高電平作用于光耦合器P521的二極管端，從而觸發(fā)三極管端導(dǎo)通，進(jìn)而觸發(fā)相機(jī)快門。P521的輸出端串接一個(gè)10kΩ的電阻，防止導(dǎo)通時(shí)電流過大而損壞相機(jī)。

數(shù)據(jù)存儲模塊由AT24C512實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)P3.0，P3.1口分別與AT24C512的SCL、SDL端口相連，并接入上拉電阻，模擬I2C總線擴(kuò)展64KB E2PROM數(shù)據(jù)存儲器。SRAM擴(kuò)展由IDT6116SA芯片實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)展2 KB用于緩存單片機(jī)計(jì)算過程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)輸入電壓為12 V直流電，電源模塊采用7805與7805兩片三端穩(wěn)壓器串接，降低單片穩(wěn)壓器兩端的壓降，獲得平穩(wěn)的+5 V電壓。

通過實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)可以較好的滿足無人機(jī)航空遙感平臺機(jī)載作業(yè)控制的要求，可以協(xié)調(diào)電子吊艙的各個(gè)組件工作，控制相機(jī)的姿態(tài)，實(shí)時(shí)下傳機(jī)載作業(yè)數(shù)據(jù)，使用的I/O口較少，USB接口的擴(kuò)展解決了當(dāng)前許多筆記本電腦不具備COM口的問題，在野外實(shí)驗(yàn)時(shí)亦可及時(shí)的處理作業(yè)系統(tǒng)中的照片信息數(shù)據(jù)。單片機(jī)仍還有較多的資源可以利用，可方便系統(tǒng)的升級，但同時(shí)也受到微處理器數(shù)據(jù)處理能力的限制。