基于FPGA的无人机气压高度测量系统的设计

论文摘要

无人机大气数据的采集和处理在无人机中占有很重要的位置和作用，它是保障飞机安全飞行以及保证地面控制和操纵人员正确引导飞机、顺利完成飞行任务的关键所在．在目前广泛应用的无人机大气数据测量系统中，多数采用单片机作为大气数据处理计算机，但是单片机在高速数据采集和处理方面却存在着抗干扰性差、速度慢等缺点，使测量系统的稳定性和实时性受到了很大的影响。 本文采用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)芯片作为大气数据处理器，以大气数据中的气压高度为例，介绍了一种基于FPGA技术的无人机气压高度测量系统。由于该测量系统中的FPGA数据处理器具有可靠性高、速度快、逻辑功能强等特点，有效地解决了单片机在高速无人机大气数据测量系统中处理速度较慢、实时性较差的问题。 论文首先介绍了FPGA的基本结构、工作原理、开发设计流程和FPGA编程所采用的VHDL硬件描述语言，还介绍了数字式大气数据测量系统的基本组成和工作原理，并且详细阐述了气压高度测量的原理和方法；然后提出了基于FPGA的无人机气压高度测量系统的整体设计，并对该测量系统各组成部分的硬件电路进行详细的分析和设计；随后论文又介绍了气压高度测量系统中FPGA的相关软件设计，并就FPGA内部所设计的各功能模块的作用、模块内部结构和工作流程进行详细的论述；最后使用Modelsim和QuartusⅡ仿真软件对程序进行功能和时序的仿真，以验证FPGA内部各功能模块和FPGA总体设计的正确性，并在所有仿真通过后将程序产生的配置文件下载到FPGA芯片中，在制作和安装测量系统的电路板后对整个测量系统进行实际的测试，将测试结果与理论值比较并分析测量系统的误差来源。 根据系统测试的结果，本文验证了以FPGA芯片为核心的无人机气压高度测量系统的可行性，并对该测量系统提出了今后的进一步改进和完善的思路。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 FPGA的概述
• 1.2.1 FPGA的基本结构和原理
• 1.2.2 FPGA的开发与设计流程
• 1.2.3 VHDL硬件描述语言
• 1.3 数字式大气数据测量系统的组成和工作原理
• 1.4 本人的主要工作
• 1.5 本文的内容安排
• 第二章 气压高度测量的理论基础
• 2.1 测量飞行高度的方法
• 2.1.1 飞行高度的定义及种类
• 2.1.2 测量飞行高度的方法
• 2.2 气压高度测量的原理和方法
• 2.2.1 国际标准大气及标准压高公式
• 2.2.2 大气压力与高度关系式的建立
• 第三章 测量系统的硬件电路设计
• 3.1 模拟电路设计
• 3.1.1 传感器电路设计
• 3.1.2 放大电路的设计
• 3.1.3 调零电路的设计
• 3.2 数字电路的设计
• 3.2.1 A/ D转换器电路的设计
• 3.2.2 FPGA电路的设计
• 第四章 测量系统的软件设计
• 4.1 串口连接模块
• 4.1.1 串口连接模块的结构框图
• 4.1.2 串口连接模块的工作流程
• 4.2 数据处理模块
• 4.2.1 数据处理方法
• 4.2.2 数据处理模块的结构框图
• 4.2.3 数据处理模块的工作流程
• 4.3 LCD显示模块
• 4.3.1 显示模块的结构框图
• 4.3.2 显示模块的工作流程
• 4.3.3 LCD的内部结构图
• 4.3.4 LCD控制器的工作流程
• 4.4 分频模块
• 第五章 FPGA的仿真与系统测试
• 5.1 FPGA的功能仿真
• 5.1.1 串口连接模块的仿真
• 5.1.2 数据处理模块的仿真
• 5.1.3 显示模块的仿真
• 5.1.4 分频模块的仿真
• 5.1.5 FPGA总体功能的仿真
• 5.2 FPGA的时序仿真
• 5.3 系统的测试
• 5.3.1 测试电路板的制作
• 5.3.2 测试的准备工作
• 5.3.3 测试结果及误差分析
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 作者发表的相关文章
• 致谢
• 附表一数据处理模块中线性插值分段点的参数表
• 附表二 LCO驱动码对照表