摘 要： 針對彩虹三無人機航空磁力測量系統(tǒng)中遙測遙控及電氣隔離的問題,，以無人機通信鏈路和航磁儀接口的特點為基礎,，研發(fā)了一款專用于航磁測量的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了對航磁儀的測量數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)的實時監(jiān)測和控制,，為航磁儀提供了所需的GPS信號和飛行高度數(shù)據(jù),，實現(xiàn)了彩虹三無人機與AARC510航磁實時收錄系統(tǒng)的無縫鏈接。
關(guān)鍵詞： 無人機航磁,；協(xié)議轉(zhuǎn)換,；STM32F407
0 引言
鑒于無人機航磁測量系統(tǒng)具有經(jīng)濟、高效,、安全的優(yōu)勢,，其在小區(qū)域大比例尺航空物探應用領(lǐng)域具有廣闊前景。近年來無人機航磁測量系統(tǒng)的研發(fā)與應用日益受到世界航空地球物理勘查公司的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)在國外已發(fā)展了多套技術(shù)成熟的無人機航磁測量系統(tǒng),，并且得到了實際應用。典型的無人機航磁系統(tǒng)包括Fugro公司的Georanger系統(tǒng),、Magsurvey公司的PrionUAV系統(tǒng)等[1],。中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所在航空物探領(lǐng)域有較深的理論研究和應用實踐，在2012年聯(lián)合中國航天空氣動力研究院開展彩虹系列無人機航空物探系統(tǒng)的研究工作,，包括飛行平臺的選型和改裝,、航磁和航放測量設備的適用化改型、系統(tǒng)集成以及搭載試驗,。其中涉及彩虹三無人機和AARC510航磁實時補償收錄系統(tǒng)的集成,，主要工作任務包括遙測遙控通信接口設計以及通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、位置姿態(tài)數(shù)據(jù)的解析及D/A變換,、相關(guān)系統(tǒng)的電氣隔離和電平轉(zhuǎn)換等,。
1 系統(tǒng)總體設計
彩虹三無人機航磁測量系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示，主要由彩虹三無人機,、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器,、AARC510航磁儀三部分組成。
彩虹三無人機通信接口采用RS422通信協(xié)議，而航磁儀的數(shù)據(jù)和命令接口采用RS232通信協(xié)議,，數(shù)據(jù)格式有較大的差異,，波特率、同步碼和校驗方式均不相同,，因此需要在這兩種接口之間設計專用的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換電路和程序,。航磁儀需要在實時補償過程中記錄飛行高度數(shù)據(jù)的模擬信號，而無人機鑒于安全的考慮,，無法提供飛行高度的模擬信號,，也需要設計數(shù)模轉(zhuǎn)換電路[2]；在實際工作過程中,，航磁儀GPS接收機會出現(xiàn)精度不足,、容易丟星的情況，無人機可以提供差分高精度DGPS數(shù)據(jù),，因此對位姿數(shù)據(jù)進行標準GPS格式的變換也是必須的,。此外無人機的電源地、信號地和外殼是相互分離的,，即三地隔離,。為了使無人機三地關(guān)系不發(fā)生變化，明確無人機的整個接地關(guān)系,，消除飛行安全隱患,，轉(zhuǎn)換器必需做到電源隔離、信號隔離,、外殼隔離,。為了達到以上的規(guī)范要求，設計了專門用于彩虹三無人機航磁測量系統(tǒng)的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器,。
通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器的主要工作流程由以下4部分組成：（1）無人機輸出28 V直流電源后經(jīng)過DC/DC電源模塊進行隔離轉(zhuǎn)換,，輸入給轉(zhuǎn)換器、航磁儀和銫光泵探頭,，是系統(tǒng)工作的能量來源,。（2）遙測地面站經(jīng)過無線電臺向無人機飛控中心發(fā)出航磁遙控指令，通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器將接收到的數(shù)據(jù)幀進行解包,，提取航磁控制命令后封包發(fā)送給航磁儀,。（3）機載銫光泵探頭輸出的磁力數(shù)據(jù)經(jīng)航磁儀量化后輸入到通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器，其按照固定格式的數(shù)據(jù)幀進行封包,，發(fā)送到飛控中心的無線電臺鏈路中,，完成遙測數(shù)據(jù)的回傳。（4）無人機飛控中心輸出位置姿態(tài)數(shù)據(jù),，通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器將其中的位姿信息解析并封包為GPS標準格式,，姿態(tài)信息解析并由D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬信號,，航磁儀完成最后的位姿數(shù)據(jù)收錄。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 STM32F4嵌入式ARM芯片
STM32F407是ST（意法半導體）推出的以ARM CortexTM-M4為內(nèi)核的STM32F4系列高性能微控制器,，其采用了90 nm的NVM工藝和ART（自適應實時存儲器加速器）。ART技術(shù)使得程序零等待執(zhí)行,，提升了程序執(zhí)行的效率,，將Cortext-M4的內(nèi)核性能發(fā)揮到了極致，使得STM32F4系列微控制器可達到210 DMIPS@168 MHz,。自適應實時加速器能夠完全釋放Cortex-M4內(nèi)核的性能,，當CPU工作于所有允許的頻率（≤168 MHz）時，在閃存中運行的程序可以達到相當于零等待周期的性能,。另外STM32F4系列微控制器集成了單周期DSP指令和FPU（浮點單元）,，提升了計算能力，可以進行一些復雜的計算和控制,。
由于STM32F407微控制器具有強大的計算能力和豐富的外設,，選用此微控制器作為數(shù)據(jù)處理核心芯片將極大地簡化硬件電路設計，不需要使用專用串口FIFO芯片對數(shù)據(jù)進行緩存,，直接實時處理數(shù)據(jù)幀中的識別碼,、校驗碼等，對其數(shù)據(jù)解包和封包的過程延時極其短暫,，可以完成大數(shù)據(jù)量下的實時傳輸,。
2.2 硬件電路
通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的硬件設計如下圖2所示。STM32F407芯片提供多達6個USART異步串行端口,，通過使用MAX485和MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片,，將其分解為2個RS422電平標準端口和4個RS232電平標準端口；采用LM2576,、LM1805將隔離后的28 V直流電源變換為5 V和3.3 V作為系統(tǒng)的工作電源,；使用B0303-1W配合HCPL263L光耦對輸出的RS422電平、RS232電平進行隔離供電以及電平轉(zhuǎn)換,；使用2片16 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片LTC1655分別輸出雷達高度,、氣壓高度數(shù)據(jù)的高精度模擬量；使用74AHC1G125對PPS秒脈沖同步信號輸出,，提高其帶負載驅(qū)動能力,。
3 系統(tǒng)軟件設計
3.1 數(shù)據(jù)幀的解析
如前所述，通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器的最主要的功能是實現(xiàn)遙測遙控數(shù)據(jù),、位置姿態(tài)數(shù)據(jù)的解析,，使設備之間通過RS422/RS232串口傳輸。為了正確,、順利和實時地完成傳輸,，不同的設備采用了不同定義的串口通信傳輸協(xié)議,。多種傳輸協(xié)議都是基于幀傳輸?shù)姆绞剑瑢y控,、位姿數(shù)據(jù)進行分幀發(fā)送,，并在傳輸過程中對單幀中的數(shù)據(jù)進行和校驗。數(shù)據(jù)幀的構(gòu)成如下圖3所示,。
上行遙控幀數(shù)據(jù)主要包括控制航磁儀的工作狀態(tài),，如是否磁補償飛行、是否開始記錄文件,、是否進入標定模式等信息,。下行遙測數(shù)據(jù)主要包括航磁儀的測量數(shù)據(jù)，如磁場強度大小,、經(jīng)緯度及方向,、系統(tǒng)工作狀態(tài)等信息。在STM32F407微控制器程序的控制下,，對不同USART端口接收到的信息內(nèi)容解析后進行隊列排序,，相互之間采用多線程結(jié)構(gòu)調(diào)用設計，用以實現(xiàn)多任務的偽并行處理,，完成了航磁儀測量數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和無人機鏈路傳輸協(xié)議的自動轉(zhuǎn)換,。通過實際的測試，系統(tǒng)誤碼率幾乎為零,，自動協(xié)議轉(zhuǎn)換時間遠小于幀傳輸?shù)拈g隔時間,，完全可以達到實時傳輸數(shù)據(jù)的要求。
3.2 GPS及高度數(shù)據(jù)的輸出
飛控中心發(fā)出的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)是無人機為航磁儀提供的經(jīng)緯度,、姿態(tài)角,、航向、雷達/氣壓高度等飛行狀態(tài)數(shù)據(jù),，用以方便航磁儀進行補償和收錄,。無人機主要的位姿數(shù)據(jù)包括雙點差分DGPS、高精度無線電雷達等傳感器數(shù)據(jù),。相比較而言航磁儀內(nèi)置GPS接收機性能指標明顯低于無人機提供的位姿數(shù)據(jù),。因此需要將原有的位姿數(shù)據(jù)解析轉(zhuǎn)化為GPS標準格式，并且將飛行高度信息進行模擬量輸出,。主要數(shù)據(jù)格式解析如下圖4所示,。
4 總結(jié)
本文主要描述了通過使用STM32F407嵌入式ARM芯片完成通信數(shù)據(jù)的收發(fā)、通信協(xié)議幀數(shù)據(jù)的識別,、信息和校驗字的解包/封包分發(fā)的過程,，使用LTC1655數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片進行飛行高度數(shù)據(jù)模擬變換，以及使用光電隔離芯片和DC/DC電源模塊完成電平轉(zhuǎn)換和電氣隔離,。
參考文獻
[1] 康光華,，陳大欽.電子技術(shù)基礎模擬部分[M].北京：高等教育出版社,，1999.
[2] 李軍峰，肖都,，李文杰,，等.無人機航磁遙測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[C].中國地質(zhì)學會2013年學術(shù)年會摘要匯編，2013,，213-216.