無人機的飛行控制和機載電子設備的控制指令主要通過地面控制計算機中的軟件或者無人機控制器產生，這兩種相互獨立的控制方式互為備份。而無人機控制器主要由硬件電路和嵌入式軟件設計實現，不依賴于計算機，因此具有可靠性高、穩定性好等優點，是實現無人機遠程遙控的主要方式之一。

傳統的無人機控制器主要由單片機、ARM和8279等芯片設計實現，具有系統結構簡單等優點，但是對于無人機控制系統對指令時延要求和測控系統時序同步等問題，該設計方法增加了測控設備軟件的設計復雜度，特別針對滑跑起降型無人機遙控信道低延時數據傳輸的實際應用要求，傳統無人機控制器產生的指令延時難以滿足無人機起降控制要求。

采用基于FPGA設計的無人機控制器，充分利用了FPGA并行數據處理能力和同步設計優勢，將鍵盤掃描、指令編碼與顯示、指令異步串行發送等功能模塊都集成在FPGA內部，外圍電路僅包含AD采樣、電平轉換和驅動芯片等簡單電路，避免了MCU等單指令周期芯片的時序缺點，系統的硬件結構更為簡單，擴展性更強，遙控指令的觸發到輸出的指令數據群延時小于80 ms，能夠滿足各種類型無人機的實時遠程控制要求。

1 系統硬件設計方案

無人機控制器主要由控制鍵盤、數碼顯示板和控制器數據處理板組成。控制鍵盤由8x8開關矩陣鍵盤和航向控制器構成，主要實現無人機控制器鍵盤掃描代碼和航向模擬量的產生。數碼顯示板由6個16進制數碼管組成，主要實現控制指令代碼和航向數據的同步顯示。作為無人機遙控控制器的核心部件，控制器數據處理板采用Altera公司的低成本Cyclone4系列FPGA芯片EP4CE10作為指令和數據處理的核心芯片；為降低FPGA硬件資源消耗，AD芯片選用MAXIM公司的串行12Bits AD采樣芯片MAX11105，理論航向傳感器控制精度可達0．09°；UART電平轉換芯片選用MAXIM公司的MAX3387芯片設計實現，具有良好的可擴展性。控制器信號處理板主要實現無人機控制指令的鍵盤掃描與AD采樣、指令編碼與顯示和遙控指令異步串行發送等功能。系統硬件結構框圖如圖1所示。

如圖1所示，控制器數據處理板上的FPGA分別對控制鍵盤上的8x8矩陣鍵盤和航向控制器模擬信號進行行列掃描與AD采樣，以獲取鍵盤掃描碼和航向模擬量數據，并對采集到的指令和數據進行編碼轉換后得到指令控制代碼和航向控制數據。FPGA將編碼轉換后的數據同時分成兩路，一路驅動數碼顯示板實時顯示，另一路進行遙控組幀后按照標準異步串行通信協議(UART)發送至MAX3387進行RS232電平轉換，最后將含有控制指令的異步串行遙控數據通過測控設備發送至無人機，實現對無人機的遠程控制功能。

2 系統軟件設計方案

無人機控制器的軟件都集成在FPGA內部，采用VHDL語言編程，并在Altera公司的QuartusII軟件環境下進行編譯和在線仿真。控制器主要包括鍵盤掃描、指令編碼與顯示、指令異步串行發送等功能模塊，系統的信號流程如圖2所示。系統加電后，FPGA每間隔40 ms對控制鍵盤和航向控制器進行一次行列掃描和AD數據采集，當檢測到有控制按鍵被觸發后，啟動按鍵去抖識別程序，將有效的控制按鍵的鍵盤掃描碼和AD采集數據轉換成控制指令代碼和航向控制數據，并將指令和數據分成相同兩路，一路送入LED驅動模塊產生16進制數碼管顯示驅動信號，另一路送入指令異步串行發送模塊進行遙控組幀和控制數據加載，最后將包含指令數據的遙控幀數據按照異步串行數據通信協議(UART)發出。

2．1 鍵盤掃描和AD采集模塊