一种用于系留无人机的轻量化千兆视频流转发与控制装置的制作方法

1.本实用新型涉及无人机技术领域。


背景技术：

2.现如今，在系留无人机应用方面迫切需要一款既能保证数据低延迟高速传输，又能兼顾功耗和尺寸重量问题的机载视频流数据传输装置。由于系留无人机应用领域的特殊性，可参考研究资料较少，其中绝大部分做法是将解决方案部署在以专用cpu为核心的嵌入式处理系统中，但这些解决方案都无法有效摆脱尺寸与重量对无人机造成功耗大、载重负荷高的问题。


技术实现要素：

3.为解决现有无人机数据传输装置技术存在的上述问题，我们提供了一种利用fpga技术实现数据传输延迟低且满足尺寸、功耗和载荷要求的轻量化千兆视频流转发与控制装置。
4.本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于系留无人机的轻量化千兆视频流转发与控制装置，包括电源模块、以太网交换模块、光纤模块和主控模块，电源模块连接以太网交换模块、光纤模块和主控模块，为以太网交换模块、光纤模块、主控模块等相关模块供电；
5.以太网交换模块连接主控模块，以太网交换模块用于向主控模块实现网络数据转发；
6.光纤模块连接主控模块，光纤模块用于提供视频流数据的传输；
7.主控模块连接光纤模块和以太网交换模块，用于接收并处理光纤模块和以太网交换模块传输来的数据，并将处理好的数据发送给下一功能模块。
8.所述以太网交换模块包括kzs9897芯片，kzs9897芯片通过rgmii通道连接主控模块。
9.所述主控模块包括zynq-7000mz7015fa芯片、drr3内存芯片、rs232通信接口和quadspi flash接口，rs232通信接口连接终端，zynq芯片包括为pl、ps两部分。
10.所述以太网交换模块采用ksz9897r作为以太网交换芯片。
11.所述光纤模块采用1x9的单纤光模块。
12.本实用新型的用于系留无人机的轻量化千兆视频流转发与控制装置，将通信光纤加入无人机的绳缆之中，利用光纤传输高清或者超高清视频流数据，大大提高数据传输通道的传输带宽，为终端提供了实时、高清、稳定的视频画面；主控模块采用zynq-7000mz7015fa 芯片作为主控芯片，配以外围功能电路，采用八层pcb板设计，在减小尺寸、功耗和重量的同时又能保证功能的完整性；fpga内部逻辑资源极为丰富，通过预留的quad spi flash 接口，可根据不同的使用场景需求，对主控程序进行针对性的修改，无需更换硬件设备，大大增加了设备的适用性，减少使用环境的局限性，提高了终端控制人员的使用效
率，对系留无人机的推广和发展具有深远影响。
附图说明
13.图1是本实用新型用于系留无人机的轻量化千兆视频流转发与控制装置原理框图。
14.图2是本实用新型用于系留无人机的轻量化千兆视频流转发与控制装置千兆网通信电路图。
15.图3是本实用新型用于系留无人机的轻量化千兆视频流转发与控制装置ksz9897r电路图。
16.图4是本实用新型用于系留无人机的轻量化千兆视频流转发与控制装置光纤传输模块电路图。
17.图5是本实用新型用于系留无人机的轻量化千兆视频流转发与控制装置主控模块pl部分电路图。
18.图6是本实用新型用于系留无人机的轻量化千兆视频流转发与控制装置主控模块ps部分电路图。
具体实施方式
19.本实用新型的用于系留无人机的轻量化千兆视频流转发与控制装置如图1所示，包括电源模块、以太网交换模块、光纤模块和zynq-7015主控模块。
20.电源模块负责将板卡输入直流电压转换成1.0v、1.2v、1.8v、1.5v、2.5v、3.3v和ddrvref，分别为以太网交换模块、光纤模块、主控模块等相关模块供电。
21.图2是千兆网通信电路图，为控制本装置的尺寸大小，设计采用8pin引脚的jst连接器，引脚9、10未使用，采用八线信号，以此实现轻量化千兆口电路设计。rclamp0524p 为四线保护组件，具有超低电容和较高的静电保护能力。u104部分为网络变压器，从理论上来讲phy是可以直接连接到网络接口的，但是，传输距离、抗干扰能力和芯片稳定性都会受到限制。
22.以太网交换模块如图3所示，通过kzs9897芯片经rgmii通道实现向主控模块的网络数据转发。由于本系统设计是针对高清或者超高清视频流数据，其中的以太网交换模块需要提供较大的网络数据转发能力，以满足设计需求。采用microchip公司的ksz9897r作为以太网交换芯片。ksz9897r包括五个集成了10/100/1000base-t phy收发器的端口和两个具有10/100/1000以太网mac和可配置rgmii/mii/rmii接口的端口。使用其一路phy收发器的端口，与千兆网通信电路相接，两个以太网mac端口均配置为rgmii接口，与主控模块zynq7015芯片进行数据交互，保证整个功能系统中phy与mac的数据交互需求。 ksz9897r芯片采用spi管理模式进行调试，需要将[led4_1:led3_1]电平置位10或者11； rxd6_3和rxd6_2引脚控制端口6的接口模式配置，端口6若采用rgmii接口则将 [rxd6_3:rxd6_2]电平全部置位00，则是采用mii接口，[rxd6_3:rxd6_2]电平置位10则是保留该端口，端口7的接口配置同理；rxd6_0引脚控制端口6的速度选择，引脚电平置位 0则是1000mbps模式，端口7的速度选择同理。
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光纤模块如图4所示，主要负责提供高清或超高清视频流数据的传输链路。采用
1x9 的单纤光模块，其中电容c110、c111、c114、c117为耦合电容，防止低频电流进入电路，保证人身安全。两个电源地端所接的c112、c113、c115、c116为滤波电容，使得直流更加平滑。供电端3v3_board所接电阻r131及电感l100、l101将电源分为两端分别接入5、6 号引脚供电，保证供电平稳。
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zynq-7015主控模块包括zynq-7000mz7015fa芯片、drr3内存芯片、rs232通信接口、 quad spi flash接口。主控模块主要负责接收并处理光纤模块和以太网交换模块传输来的数据，并将处理好的数据发送给下一功能模块。提供一路rs232接口供终端设备作为通信控制链路，提供一路quad spi flash接口供使用人员根据不同的使用需要，烧写不同的程序，提升设备的适用性。zynq芯片可划分为pl、ps两部分，即fpga arm。
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如图5所示，主控模块pl部分芯片内部包括众多可编程逻辑单元和被划分为不同组 (bank)的可编程输入输出io口。在本设计中pl部分需要分别与光纤模块、电源模块及以太网交换模块相连接，所涉及的物理电气标准较多，即可通过设计软件灵活配置各bank 中的io口。板卡jtag调试器采用3.3v的电平标准，因此相对应cfgbvs引脚连接至3.3v 电源接口。另外，为了保证上电过程中所有的i/o引脚内部电阻全部处于上拉状态，将 pudc_b引脚接至低电平。pl部分的bank 112与125mhz时钟相连接，bank 34和bank 35 与千兆mac相连接，引脚供电电压配置为3.3v；
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如图6所示，主控模块ps部分外部quad spi flash和rs232收发器的电压标准分别为 3.3v和1.8v，因此与之相连接的mio bank 500中vcco_mio0引脚供电电压配置为3.3v， mio bank 501中vcco_mio1引脚供电电压配置为1.8v；硬件平台的动态内存使用ddr3内存芯片，其供电电压标准为1.5v，所以zynq 7015与ddr3内存接口供电的vcco_ddr配置为1.5v。
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本实用新型以现场可编程逻辑门电路(fpga)技术为设计基础，在目前系留无人机高清视频传输设备体积重量大、功耗高、传输质量不稳定等缺点的情况下，提出了一种将fpga 和光纤通信相结合的研究方案。设计了由电源模块、以太网交换模块、光纤模块、zynq-7015 主控模块组成的系统来解决以上问题。本实用新型针对系留无人机采用电缆控制并供电的特点，将通信光纤加入无人机的绳缆之中，利用光纤传输高清或者超高清视频流数据，大大提高数据传输通道的传输带宽，为终端提供了实时、高清、稳定的视频画面。本实用新型的主控模块采用zynq-7000mz7015fa芯片作为主控芯片，配以外围功能电路，采用八层pcb板设计，在减小尺寸、功耗和重量的同时又能保证功能的完整性。fpga内部逻辑资源极为丰富，通过预留的quad spi flash接口，可根据不同的使用场景需求，对主控程序进行针对性的修改，无需更换硬件设备，大大增加了设备的适用性，减少使用环境的局限性，提高了终端控制人员的使用效率，对系留无人机的推广和发展具有深远影响。