無人機航磁測量系統(tǒng)通信協(xié)議轉換器的設計

鑒于無人機航磁測量系統(tǒng)具有經濟、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注?，F(xiàn)在國外已發(fā)展了多套技術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。中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所在航空物探領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)議轉換、位置姿態(tài)數(shù)據的解析及D/A變換、相關系統(tǒng)的電氣隔離和電平轉換等。

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)據和命令接口采用RS232通信協(xié)議，數(shù)據格式有較大的差異，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)模轉換電路；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，因此對位姿數(shù)據進行標準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系不發(fā)生變化，明確無人機的整個接地關系，消除飛行安全隱患，轉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)議轉換器。

通信協(xié)議轉換器的主要工作流程由以下4部分組成：（1）無人機輸出28V直流電源后經過DC/DC電源模塊進行隔離轉換，輸入給轉換器、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)議轉換器將接收到的數(shù)據幀進行解包，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)據經航磁儀量化后輸入到通信協(xié)議轉換器，其按照固定格式的數(shù)據幀進行封包，發(fā)送到飛控中心的無線電臺鏈路中，完成遙測數(shù)據的回傳。（4）無人機飛控中心輸出位置姿態(tài)數(shù)據，通信協(xié)議轉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轉換器輸出模擬信號，航磁儀完成最后的位姿數(shù)據收錄。

2系統(tǒng)硬件設計

2.1STM32F4嵌入式ARM芯片

STM32F407是ST（意法半導體）推出的以ARMCortexTM-M4為內核的STM32F4系列高性能微控制器，其采用了90nm的NVM工藝和ART（自適應實時存儲器加速器）。ART技術使得程序零等待執(zhí)行，提升了程序執(zhí)行的效率，將Cortext-M4的內核性能發(fā)揮到了極致，使得STM32F4系列微控制器可達到210DMIPS@168MHz。自適應實時加速器能夠完全釋放Cortex-M4內核的性能，當CPU工作于所有允許的頻率（≤168MHz）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)據進行緩存，直接實時處理數(shù)據幀中的識別碼、校驗碼等，對其數(shù)據解包和封包的過程延時極其短暫，可以完成大數(shù)據量下的實時傳輸。

2.2硬件電路

通信協(xié)議轉換器系統(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28V直流電源變換為5V和3.3V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換；使用2片16bit數(shù)模轉換芯片LTC1655分別輸出雷達高度、氣壓高度數(shù)據的高精度模擬量；使用74AHC1G125對PPS秒脈沖同步信號輸出，提高其帶負載驅動能力。

3系統(tǒng)軟件設計

3.1數(shù)據幀的解析

如前所述，通信協(xié)議轉換器的最主要的功能是實現(xiàn)遙測遙控數(shù)據、位置姿態(tài)數(shù)據的解析，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)據進行分幀發(fā)送，并在傳輸過程中對單幀中的數(shù)據進行和校驗。數(shù)據幀的構成如下圖3所示。

上行遙控幀數(shù)據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)據主要包括航磁儀的測量數(shù)據，如磁場強度大小、經緯度及方向、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容解析后進行隊列排序，相互之間采用多線程結構調用設計，用以實現(xiàn)多任務的偽并行處理，完成了航磁儀測量數(shù)據傳輸協(xié)議和無人機鏈路傳輸協(xié)議的自動轉換。通過實際的測試，系統(tǒng)誤碼率幾乎為零，自動協(xié)議轉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)據的要求。

3.2GPS及高度數(shù)據的輸出

飛控中心發(fā)出的位置姿態(tài)數(shù)據是無人機為航磁儀提供的經緯度、姿態(tài)角、航向、雷達/氣壓高度等飛行狀態(tài)數(shù)據，用以方便航磁儀進行補償和收錄。無人機主要的位姿數(shù)據包括雙點差分DGPS、高精度無線電雷達等傳感器數(shù)據。相比較而言航磁儀內置GPS接收機性能指標明顯低于無人機提供的位姿數(shù)據。因此需要將原有的位姿數(shù)據解析轉化為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)據格式解析如下圖4所示。

4總結

本文主要描述了通過使用STM32F407嵌入式ARM芯片完成通信數(shù)據的收發(fā)、通信協(xié)議幀數(shù)據的識別、信息和校驗字的解包/封包分發(fā)的過程，使用LTC1655數(shù)模轉換芯片進行飛行高度數(shù)據模擬變換，以及使用光電隔離芯片和DC/DC電源模塊完成電平轉換和電氣隔離。