基于ARM-Linux的无人机飞控计算机设计及其系统软件实现

摘要

无人机广泛的应用价值,尤其是在军事上的重要性已经得到国内外的高度重视。作为无人机系统的核心,飞控计算机主要完成接收信息、处理信息、输出信息的功能。本课题从功能需求出发,研究了一种基于ARM9处理器和Linux操作系统的嵌入式飞控计算机。
　　 根据嵌入式系统的工程设计方法,分析系统的功能需求,开发基于AT91RM9200的嵌入式飞控计算机系统硬件电路。本文主要完成了各外围电路硬件设计及其与ARM的接口,其中包括存储器扩展、电源、A/D、D/A、多串口扩展以及网络接口等电路的设计,并对硬件设计中需要注意的一些问题进行了探讨。
　　 使用安装有REDHAT9的PC作为开发主机,在其上构建嵌入式开发环境。分析了u-boot的体系结构及其启动流程,并根据目标平台对U-boot进行修改和移植,针对硬件平台和软件设计的目标,选择Linux作为飞控计算机的嵌入式操作系统,本课题主要完成Linux内核的定制与裁剪,ramdisk文件系统的构建,并成功将各部分向目标平台移植。另外,本文还介绍了Linux设备驱动原理,对Linux设备驱动功能、分类、特点、接口及构成等问题做了详细的阐述,主要完成了I/O设备驱动以及SPI总线设备驱动程序的开发,并通过测试验证驱动程序的正确性。
　　 总的来说,本文通过对无人机飞控系统的研究,设计和实现了基于ARM-Linux的小型化、实时性的飞控计算机的软硬件系统。

目录

文摘

英文文摘

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表目录

注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 无人机飞行控制系统

1.3 飞控计算机的发展现状

1.3.1 硬件发展现状

1.3.2 软件发展现状

1.4 本文的主要内容

第二章 无人机飞控计算机的总体设计方案

2.1 无人机飞控计算机的需求分析

2.1.1 设计需求分析

2.1.2 设计要求

2.2 系统方案的确定

2.2.1 硬件设计方案

2.2.2 软件设计方案

2.3 涉及到的关键问题

2.4 本章小结

第三章 基于ARM的飞控计算机系统硬件设计

3.1 AT91RM9200微处理器

3.2 存储电路的设计

3.2.1 Flash存储器

3.2.2 SDRAM存储器

3.3 电源电路设计

3.4 模/数转换电路

3.5 数/模转换电路

3.6 串口扩展模块

3.6.1 异步通信芯片ST16C554介绍

3.6.2 扩展串口硬件电路的实现

3.7 网络控制模块

3.8 PCB设计要点

3.9 本章小结

第四章 嵌入式操作系统的移植

4.1 嵌入式Linux开发环境的建立

4.2 Bootloader移植

4.2.1 U-Boot介绍

4.2.2 U-boot的启动流程

4.2.3 U-boot的体系结构

4.2.4 U-boot的移植过程

4.2.5 移植U-boot的常见问题

4.3 Linux内核裁剪

4.4 Linux文件系统的建立

4.5 烧写步骤与结果

4.5.1 bootloader的烧写

4.5.2 内核和文件系统的烧写

4.6 本章小结

第五章 系统设备驱动程序开发

5.1 Linux内核驱动原理

5.1.1 Linux驱动程序概述

5.1.2 Linux设备驱动与内核的关系

5.113 Linux设备驱动程序的主要组成部分

5.1.4 Linux设备驱动程序中关键数据结构

5.2 I/O驱动程序设计

5.2.1 I/O驱动程序功能说明

5.2.2 设备文件接口定义

5.2.3 初始化和退出函数

5.2.4 测试程序开发及运行

5.3 SPI总线驱动程序设计

5.3.1 SPI驱动设计流程

5.3.2 文件操作结构定义

5.3.3 初始化和退出函数

5.3.4 设备文件的打开与关闭

5.3.5 SPI设备的读写操作

5.3.6 测试程序设计

5.3.7 驱动程序的编译与加载

5.4 本章小结

第六章 系统调试

6.1 系统硬件调试

6.2 系统软件调试

6.3 本章小结

结束语

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录