一种基于一体化信道的数据格式集成解译器设计

【摘 要】无人飞行器测控系统是直接关系飞行任务成败的关键系统，数据格式集成解译器则是飞行器与测控系统下行链路的接口。本文分析了飞行器的测控需求，为简化设备和节省频谱资源，在一体化信道的基础上对数据格式集成解译器进行了设计和仿真。

【关键词】无人飞行器；测控；数据格式集成解译解译器；一体化信道

0 引言

无人飞行器实时有效的指挥控制和情报信息准确快速的发送都依赖于测控数据链路[1]，下行测控链路传输信息为飞行器状态信息和数据信息[2]，用于传送飞行路径和航行数据等内部状态数据，以及传输传感器数据流[3]。上下行数据链路有很强的非对称性[4]。

近年来，我国无人飞行器测控技术相继实现诸多技术突破，如一体化综合信道体制、视频数据压缩编码、机载设备轻量化等多个关键技术的应用[5]，同时通信设备正朝着集成化、小型轻量化、灵活通用化等趋势迅猛发展，在这个大趋势下，本文基于某无人飞行器的下行链路一体化信道，对数据格式集成解译器进行了设计和仿真。

1 测控需求分析

无人飞行器姿态信息主要为加速度计和陀螺仪的解算数据，航迹信息为经纬度和高度数据，该飞行器直接采用姿态/GPS产品模块，保障数据精度，减少了解算数据的资源开支；遥控指令的转速控制信息在该飞行器上为脉宽调制数据，考虑到设备成本和数据的可靠性，选取输出的部分飞控指令数据作为转速采集数据；温度信息主要为飞控/测控系统的工作环境温度、飞行器外部大气环境温度、工作电动机温度、机械变速箱温度等，考虑对温度实时性需求，采用温度模块（0.25℃分辨率，I2C总线协议）；电池电量信息主要为动力电池电量、控制系统单独供电电池电量、启动电机电池电量等，均采用电压传感器；视频信息由摄像头拍摄获得。

视频数据一般由静态的图像组成[6]，数据传输率一般为30帧/秒或25帧/秒，若传输帧数下降，视频效果变差，但传输数据量会大大降低。视频压缩利用图像冗余来降低像素平均所需比特数[6]，减少视频数据的大小，考虑到测控数据传输压力和对视频的要求，选取480×320分辨率、256色彩、25帧/秒、1：15的无损图像压缩比的视频数据，数据量为1.9531Mbps。若选取视频帧数频率为采样频率，则GPS数据、转速数据和温度数据量各为75bps，视频数据传输将占用99.9%的数据带宽。数据格式集成解译器对视频数据的处理好坏很大程度上决定了数据传输性能的优劣。

2 格式集成解译器方案设计

测控需求直接影响设计方案逻辑工作量以及所使用仿真开发板的资源，将需求中多个类似通道的小数据和一个通道大数据简化为GPS、温度、转速、视频数据的设计方案。这种简化减少了小数据通道处理的重复性，却没有减少设计方案中数据集成解译的复杂性，同时数据可扩展，故简化合理可行。

2.1 数据转换方案

任务传感器输出信号格式各异，涉及的数据接口和数据传输协议不同，需数据格式集成器将信息格式统一并结合成信道能传输的帧格式数据，经过信道后再由数据格式解译器将这些信息解译出来，提供给地面站进行处理。

转速数据为脉宽调制信号；NMEA-0183标准是GPS导航设备统一的标准协议； I2C为两线式串行总线协议，具体见图 1；视频采集是图像处理的前提，配置ADV模块，匹配输入模拟视频制式。将模拟图像数据处理为数字图像数据，同时将数字图像数据存储到数据缓存模块中，编码模块对图像数据压缩编码。视频采集数据的优劣直接决定图像处理的结果[7]。

同时，需选取电路模块，对端口降压保护，保证I/O口的输入电压匹配处理芯片电压要求。

2.2 时系控制方案

多路并行数据串行化后数据结合处理成数据帧，进入缓存，在数据格式化同步化过程中，数据控制总线起关键作用，这就对时钟提出了高要求，时钟抖动和误差要在允许范围内。考虑到图像数据处理周期和转速、GPS、温度数据处理周期差异，数据集成采取先同时采集处理多路并行数据，后统一数据串行化的方法，使数据串行化速度最快。

2.3 资源优化方案

根据测控需求，优化采集参数配置，使传输信道资源充分利用，减少通信负载对信道的冲击和压力，留有可扩展的空间。视频数据占用转速数据、GPS数据、温度数据的剩余传输空间，看起来能充分利用信道带宽，实则视频数据所能增加的数据量很小，同时会带来数据串行化的复杂性和不可靠性。为了保证不同通道的数据周期性，取其最小公倍数为最大采集传输频率。

3 格式集成解译器程序设计

基于格式集成解译器的设计方案，对系统的设计程序分模块设计，将系统功能划分为时钟生成模块、使能信号产生模块、转速数据/GPS数据/温度数据/视频数据采集处理模块、数据集成/解译模块。

对FPGA进行初始化，成功初始化后生成时钟和使能信号，在复位信号允许的情况下进行多路并行采集，实时读取数据，采取不同的时钟和处理方法，将多路数据集成为串行数据输出，最后对输出的数据进行数据采集及解译，获得多路并行输出信号。整体数据处理程序流程见图 2。整体数据处理模块程序见图 3。

4 格式集成解译器仿真和结果分析

FPGA芯片数据传输快，实时性能好，高速并行处理能力强大，可通过编程快速升级，能满足电子系统小型化、高可靠、低功耗等需求。目前，全球60%的PLD/FPGA产品由Altera和Xilinx公司提供[8]。本文选用Altera公司的FPGA芯片作为格式集成解译器的核心处理芯片。使用QuartusⅡ进行工作程序设计与编写，使用Modelsim建立与工作程序对应的波形输入文件。采用与实际精度相同的时间单位，定义输入输出变量，加载输入数据信号，编译文件，运行仿真。

根据格式集成解译器数据处理程序，对各模块联合仿真分析。data _together功能模块将采集的转速数据（r_rotation）、GPS数据（r_gps）、温度数据（r_temper）和视频数据（r_video）处理为串行集成数据信号（s_out），仿真结果见图 4。转速数据、GPS数据、温度数据同步采集，采集频率25Hz，取自视频数据25帧/秒，即在40ms内完成1228872个有用数据点的集成，余下371248个无用数据点为待扩展通道使用。图4中可看出视频数据和其他数据的在数据量上的巨大差别。

data_disperse功能模块将输入的串行集成数据（r_in）解译。通过数据解译使能信号（CLOCK_en）、输出转速数据（s_rotation）、GPS数据（s_gps）、温度数据（s_temper）和视频数据（s_video）。仿真结果见图 5。在数据解译过程中，解译使能信号是关键数据，在40ms周期前32ms内将视频数据解译，后8ms内将其他数据解译。最终将串行集成数据四路数据剥离，单独输出。对解译出视频数据与串行集成中的视频数据进行时序比对，可看出数据一致，具体见图 6。

5 结束语

针对某无人飞行器与测控系统之间的数据关联与交互的问题，分析了测控需求，给出了格式集成解译器的设计方案，并通过模拟仿真验证了该设计方案，对无人飞行器的一体化信道设计有一定的现实指导意义。

【参考文献】

[1]何一，王永生.L波段超宽带微型无人机测控链路性能分析[J].科技导报，2008， 26（21）：34-37.

[2]杨殿亮，贺卫亮.一种无人飞行器测控信道初步设计[J].航空兵器，2015（01）：45-48.

[3]吕金龙，陈树新.无人机衰落信道扩频通信性能研究[J].电子技术应用，2010（3）：120-123.

[4]陈自力，孙锦涛，田庆民.无人机数据链路通道LMS和RLS自适应均衡性能比较[J].无线电工程，2003，33（11）：33-35，60

[5]涂强.无人机测控系统技术研究[D].成都：电子科技大学，2011.

[6]谢方，王立，郭丽艳.无人机仿真与控制系统数据交互[J].舰船电子工程，2007（3）：121-123.

[7]杨超，张玲，何伟.基于NiosII的低码率实时H.264视频编码器[J].单片机与嵌入式系统应用，2008（11）：34-37.

[8]孙进平，王俊，李伟，等.DSP/FPGA嵌入式实时处理技术及应用[M].北京航空航天大学出版社，2011.9：6-13.

[责任编辑：杨玉洁]