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摘 要：随着无人机技术的成熟和发展，目前已经被广泛应用于多个领域，包括航拍和测绘等，相关领域内，无人机技术已经成了不可或缺的技术保障手段。在整个工作过程中，无人机完成的工作主要就是测试数据的采集，包括图片、视频和地理测绘数据等内容，设备的数据采集系统整合了无人机的硬件和软件应用系统，决定了整个数据采集工作功能的稳定性和有效性，是目前相关业务领域比较关注的重点内容。本文结合无人机测试数据采集系统的基本情况，详细分析了各环节设计的情况，对实际的无人机设计及使用有较强的针对性和实效性。
关键词：无人机；测试；数据采集系统；设计
目前，我国无人机技术已经取得非常大的进步，一些关键技术处于世界领先的地位，可完成一些较高难度的数据获取任务，无人机的飞行系统也更趋复杂，同时，其在任务完成过程中发生故障的情况也会越来越高。为有效降低无人机运行中发生故障的概率，需要对无人机在研发阶段通过性能测试，才能认定该研发工作的彻底完成。利用无人机参数的实际测量，可取得该型无人机核心设备的运行状态，这对于提升无人机的整体性能，以及对无人机的故障进行诊断，都有非常重要的价值。
1 无人机的设计需求及方案
1.1 设计的基本需求
测量无人机运行信号的主要内容包括对电流、电压、脉冲频率信号、开关量信号、通信协议标准接口信号等的测试。具体来说，对无人机测试数据进行采集的系统其功能主要分为如下几个部分：
一是信号的调理部分。按照无人机传感器所具有的电特性，以及输出开关信号实施调理控制电路的结构特点和性能指标，对外加电压的电平限幅与转换、强弱电隔离、电流以及电压的转换、电动阻抗变换、电感滤波等。
二是数据的采集部分。数据采集部分主要包括电压信号采集、电流信号采集、频率信号采集、开关量信号采集，并且还要进一步设计包括RS 202接口、RS 455接口、USB接口等部分，实现无人机系统的数字信号的采集传输功能。
三是无线数据的收发部分。无线数据的收发是进行无人机无线控制的关键部位，其主要是用来做数据采集端及上位机的数据通信功能。通过无线通信技术控制无人机，可有效增加系统数据通信手段的灵活性。
1.2 设计方案的选择和优化
无人机数据采集系统主要包括两个部分：即数据采集传输部分以及终端处理部分。其中，数据采集部分的硬件设施被安置在无人机的实际测试端，而终端处理部分则安装在控制范围内某适宜的地面位置，来完成数据接收以及显示等功能。在具体实现功能的过程中，置于无人机测试端的数据采集装置，会接收到通过终端计算机应用软件以及射频发射系统发送来的采集数据指令信息，数据采集板卡会直接接收这些采集命令的数据包，通过上位机进行发送操作命令以实现预先设定的数据采集功能，并同时会将所采集到的各种数据实时传送给上位机端，实时进行显示、存储，任务完成后，再继续之后的数据回放以及数据分析等工作内容。
2 系统硬件的设计
系统硬件是无人机系统的物理基础，是实现功能的前提保障，硬件系统的性能差异，决定了无人机系统的整体功能和完成具体任务的能力。下面将就两个方面对无人机系统硬件设计进行重点讨论。
2.1 无线收发模块的设计
无人机的无线数据采集系统的数据发射与接收功能，主要是利用美国TI公司研发生产的C1001射频芯片，该芯片通过内置的连接数据采集端以及计算机相关接口端，实现了这两端无阻碍的数据通信功能，当上位机执行数据采集指令时，会将采集数据的参数发送同时执行采集数据回传功能。按照STM32F103VE模块控制器所收集到的数据，整个采集板卡会利用G端口及S总线接口与C1001进行连接，实现了对射频芯片内置寄存器的实时读写和状态情况监测。
2.2 信号调制电路的设计
（1）对系统内电压信号的调制。该设计中通常都会选择双电源的方式供电，并使用交直流电源模块MDB12 D12来产生12V的直流电压，系统中选择了TL421生成电压参考的基准电平，TL421是广泛使用于信号调制设计领域的高精度可控稳压电源，实际控制的电压精度保持在0.5%的范围浮动，能够为电压调制提供电压基准参考电势。本次应用中，主要使用TL421产生的3V电压，并需要将其转换成-3V，以此来为后续的電压平移并作为衰减电路的输入电平，为了降低被采集信号中高频信号的干扰以及抗混叠，对信号调理通道中加入一个低通滤波器，使用运放构成一个压控电压源低通滤波器。
（2）对系统内电流信号的调制。对于系统电流信号的信号进行调制，通常情况下会选用0.1%精度的电阻进行分压，来得到实际所需的电压信号。电流输出型传感器输出信号通常范围在4至20mA，所以选择150Ω的高精度电阻将系统电流信号进一步转换成0.6至3V的电压信号，通过ADC进行采集。
3 系统的软件设计
系统软件是应用功能的具体设定，通过对无人机系统运行和工作状态的调整，实现预期的任务要求。在实际的设计过程中，主要考虑三个方面的设计要素：
3.1 数据采集的主程序设计
主控制器上电初始化设计主要用于实现对外设以及内核模块的综合配置应用，具体而言，主控制器的系统数据总线其时钟选择是以频率为8MHz的辣子外部的晶振作为整个系统时钟，再利用系统内部的锁相环设置将倍频调整到72MHz。对时钟进行初始化时，此时系统数据总线的时钟频率以及高速总线的时钟频率均为72MHz。而高速总线得以挂接的外设，包括通用输入输出端口、ADC设备，因为ADC设备的输入时钟不可以大于14MHz，所以，实际的ADC时钟分频确定为12MHz。
3.2 电压信号数据采集程序设计
数据采集系统接收传感器或变送器输出的标准信号，如-10-10V的电压信号，4-20mA电流信号。这些模拟信号通过信号调理转换为0-3V的电压信号，由控制器的12位ADC转换为数字量，再通过SPI接口的无线射频模块将采集数据发送到PC机。将多次转换的结果通过DMA存储到SRAM中，并将这些数据求平均，可以使采样值更加精确。
3.3 脉冲频率信号采集程序设计
以测量无人机转速为例，选用的是光电传感器，其测试码盘有30个齿轮。实际设计中，使用STM32F103VE的通用定时器功能进行脉冲频率信号的采集。将定时器管脚选择为上升沿触发，当上升沿信号触发时，计数器开始计数，当下一个上升沿到来时，在中断程序中记下定时器的计数值，根据定时器工作时钟频率，可以计算出外界输入信号的频率。
4 结束语
综上所述，为确保无人机系统工作的安全性和可靠性，要专门针对无人机系统的各功能模块进行必要的测试工作，这一过程中，要强化对系统的总体、硬件、软件等系统的设计，加强对软硬件系统的调试，实现预期的测试系统设计目标。经实践检验，该调试系统的运行非常稳定，而各项功能也都可以正常完成，通过这一设计，可解决包括旋转测试以及短距离测试涉及到的数据传输问题。这是一种非常可取的有益尝试，对实际应用中无人机数据采集系统设计的完善有很好的参考价值。
参考文献
[1]李玮瑶，王启明，吕海莲.无人机机箱温度异变信号检测系统设计[J].计算机测量与控制，2014（10）：3111-3113.
[2]张猛，李亚南，王平，等.基于LabVIEW的推进系统通用试验台设计[J].测控技术，2014（12）：61-64.
关键词：无人机；测试；数据采集系统；设计
目前，我国无人机技术已经取得非常大的进步，一些关键技术处于世界领先的地位，可完成一些较高难度的数据获取任务，无人机的飞行系统也更趋复杂，同时，其在任务完成过程中发生故障的情况也会越来越高。为有效降低无人机运行中发生故障的概率，需要对无人机在研发阶段通过性能测试，才能认定该研发工作的彻底完成。利用无人机参数的实际测量，可取得该型无人机核心设备的运行状态，这对于提升无人机的整体性能，以及对无人机的故障进行诊断，都有非常重要的价值。
1 无人机的设计需求及方案
1.1 设计的基本需求
测量无人机运行信号的主要内容包括对电流、电压、脉冲频率信号、开关量信号、通信协议标准接口信号等的测试。具体来说，对无人机测试数据进行采集的系统其功能主要分为如下几个部分：
一是信号的调理部分。按照无人机传感器所具有的电特性，以及输出开关信号实施调理控制电路的结构特点和性能指标，对外加电压的电平限幅与转换、强弱电隔离、电流以及电压的转换、电动阻抗变换、电感滤波等。
二是数据的采集部分。数据采集部分主要包括电压信号采集、电流信号采集、频率信号采集、开关量信号采集，并且还要进一步设计包括RS 202接口、RS 455接口、USB接口等部分，实现无人机系统的数字信号的采集传输功能。
三是无线数据的收发部分。无线数据的收发是进行无人机无线控制的关键部位，其主要是用来做数据采集端及上位机的数据通信功能。通过无线通信技术控制无人机，可有效增加系统数据通信手段的灵活性。
1.2 设计方案的选择和优化
无人机数据采集系统主要包括两个部分：即数据采集传输部分以及终端处理部分。其中，数据采集部分的硬件设施被安置在无人机的实际测试端，而终端处理部分则安装在控制范围内某适宜的地面位置，来完成数据接收以及显示等功能。在具体实现功能的过程中，置于无人机测试端的数据采集装置，会接收到通过终端计算机应用软件以及射频发射系统发送来的采集数据指令信息，数据采集板卡会直接接收这些采集命令的数据包，通过上位机进行发送操作命令以实现预先设定的数据采集功能，并同时会将所采集到的各种数据实时传送给上位机端，实时进行显示、存储，任务完成后，再继续之后的数据回放以及数据分析等工作内容。
2 系统硬件的设计
系统硬件是无人机系统的物理基础，是实现功能的前提保障，硬件系统的性能差异，决定了无人机系统的整体功能和完成具体任务的能力。下面将就两个方面对无人机系统硬件设计进行重点讨论。
2.1 无线收发模块的设计
无人机的无线数据采集系统的数据发射与接收功能，主要是利用美国TI公司研发生产的C1001射频芯片，该芯片通过内置的连接数据采集端以及计算机相关接口端，实现了这两端无阻碍的数据通信功能，当上位机执行数据采集指令时，会将采集数据的参数发送同时执行采集数据回传功能。按照STM32F103VE模块控制器所收集到的数据，整个采集板卡会利用G端口及S总线接口与C1001进行连接，实现了对射频芯片内置寄存器的实时读写和状态情况监测。
2.2 信号调制电路的设计
（1）对系统内电压信号的调制。该设计中通常都会选择双电源的方式供电，并使用交直流电源模块MDB12 D12来产生12V的直流电压，系统中选择了TL421生成电压参考的基准电平，TL421是广泛使用于信号调制设计领域的高精度可控稳压电源，实际控制的电压精度保持在0.5%的范围浮动，能够为电压调制提供电压基准参考电势。本次应用中，主要使用TL421产生的3V电压，并需要将其转换成-3V，以此来为后续的電压平移并作为衰减电路的输入电平，为了降低被采集信号中高频信号的干扰以及抗混叠，对信号调理通道中加入一个低通滤波器，使用运放构成一个压控电压源低通滤波器。
（2）对系统内电流信号的调制。对于系统电流信号的信号进行调制，通常情况下会选用0.1%精度的电阻进行分压，来得到实际所需的电压信号。电流输出型传感器输出信号通常范围在4至20mA，所以选择150Ω的高精度电阻将系统电流信号进一步转换成0.6至3V的电压信号，通过ADC进行采集。
3 系统的软件设计
系统软件是应用功能的具体设定，通过对无人机系统运行和工作状态的调整，实现预期的任务要求。在实际的设计过程中，主要考虑三个方面的设计要素：
3.1 数据采集的主程序设计
主控制器上电初始化设计主要用于实现对外设以及内核模块的综合配置应用，具体而言，主控制器的系统数据总线其时钟选择是以频率为8MHz的辣子外部的晶振作为整个系统时钟，再利用系统内部的锁相环设置将倍频调整到72MHz。对时钟进行初始化时，此时系统数据总线的时钟频率以及高速总线的时钟频率均为72MHz。而高速总线得以挂接的外设，包括通用输入输出端口、ADC设备，因为ADC设备的输入时钟不可以大于14MHz，所以，实际的ADC时钟分频确定为12MHz。
3.2 电压信号数据采集程序设计
数据采集系统接收传感器或变送器输出的标准信号，如-10-10V的电压信号，4-20mA电流信号。这些模拟信号通过信号调理转换为0-3V的电压信号，由控制器的12位ADC转换为数字量，再通过SPI接口的无线射频模块将采集数据发送到PC机。将多次转换的结果通过DMA存储到SRAM中，并将这些数据求平均，可以使采样值更加精确。
3.3 脉冲频率信号采集程序设计
以测量无人机转速为例，选用的是光电传感器，其测试码盘有30个齿轮。实际设计中，使用STM32F103VE的通用定时器功能进行脉冲频率信号的采集。将定时器管脚选择为上升沿触发，当上升沿信号触发时，计数器开始计数，当下一个上升沿到来时，在中断程序中记下定时器的计数值，根据定时器工作时钟频率，可以计算出外界输入信号的频率。
4 结束语
综上所述，为确保无人机系统工作的安全性和可靠性，要专门针对无人机系统的各功能模块进行必要的测试工作，这一过程中，要强化对系统的总体、硬件、软件等系统的设计，加强对软硬件系统的调试，实现预期的测试系统设计目标。经实践检验，该调试系统的运行非常稳定，而各项功能也都可以正常完成，通过这一设计，可解决包括旋转测试以及短距离测试涉及到的数据传输问题。这是一种非常可取的有益尝试，对实际应用中无人机数据采集系统设计的完善有很好的参考价值。
参考文献
[1]李玮瑶，王启明，吕海莲.无人机机箱温度异变信号检测系统设计[J].计算机测量与控制，2014（10）：3111-3113.
[2]张猛，李亚南，王平，等.基于LabVIEW的推进系统通用试验台设计[J].测控技术，2014（12）：61-64.