無(wú)人機(jī)航磁測(cè)量系統(tǒng)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

鑒于無(wú)人機(jī)航磁測(cè)量系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)、高效、安全的優(yōu)勢(shì)，其在小區(qū)域大比例尺航空物探應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊前景。近年來(lái)無(wú)人機(jī)航磁測(cè)量系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)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(guó)外已發(fā)展了多套技術(shù)成熟的無(wú)人機(jī)航磁測(cè)量系統(tǒng)，并且得到了實(shí)際應(yīng)用。典型的無(wú)人機(jī)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(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所在航空物探領(lǐng)域有較深的理論研究和應(yīng)用實(shí)踐，在2012年聯(lián)合中國(guó)航天空氣動(dòng)力研究院開(kāi)展彩虹系列無(wú)人機(jī)航空物探系統(tǒng)的研究工作，包括飛行平臺(tái)的選型和改裝、航磁和航放測(cè)量設(shè)備的適用化改型、系統(tǒng)集成以及搭載試驗(yàn)。其中涉及彩虹三無(wú)人機(jī)和AARC510航磁實(shí)時(shí)補(bǔ)償收錄系統(tǒng)的集成，主要工作任務(wù)包括遙測(cè)遙控通信接口設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

彩虹三無(wú)人機(jī)航磁測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，主要由彩虹三無(wú)人機(jī)、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器、AARC510航磁儀三部分組成。

彩虹三無(wú)人機(jī)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(yàn)方式均不相同，因此需要在這兩種接口之間設(shè)計(jì)專(zhuān)用的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換電路和程序。航磁儀需要在實(shí)時(shí)補(bǔ)償過(guò)程中記錄飛行高度數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)，而無(wú)人機(jī)鑒于安全的考慮，無(wú)法提供飛行高度的模擬信號(hào)，也需要設(shè)計(jì)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路；在實(shí)際工作過(guò)程中，航磁儀GPS接收機(jī)會(huì)出現(xiàn)精度不足、容易丟星的情況，無(wú)人機(jī)可以提供差分高精度DGPS數(shù)據(jù)，因此對(duì)位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)GPS格式的變換也是必須的。此外無(wú)人機(jī)的電源地、信號(hào)地和外殼是相互分離的，即三地隔離。為了使無(wú)人機(jī)三地關(guān)系不發(fā)生變化，明確無(wú)人機(jī)的整個(gè)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(hào)隔離、外殼隔離。為了達(dá)到以上的規(guī)范要求，設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)用于彩虹三無(wú)人機(jī)航磁測(cè)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(wú)人機(jī)輸出28V直流電源后經(jīng)過(guò)DC/DC電源模塊進(jìn)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(lái)源。（2）遙測(cè)地面站經(jīng)過(guò)無(wú)線電臺(tái)向無(wú)人機(jī)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(jìn)行解包，提取航磁控制命令后封包發(fā)送給航磁儀。（3）機(jī)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(jìn)行封包，發(fā)送到飛控中心的無(wú)線電臺(tái)鏈路中，完成遙測(cè)數(shù)據(jù)的回傳。（4）無(wú)人機(jī)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(biāo)準(zhǔn)格式，姿態(tài)信息解析并由D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬信號(hào)，航磁儀完成最后的位姿數(shù)據(jù)收錄。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1STM32F4嵌入式ARM芯片

STM32F407是ST（意法半導(dǎo)體）推出的以ARMCortexTM-M4為內(nèi)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(yīng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)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(dá)到210DMIPS@168MHz。自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器能夠完全釋放Cortex-M4內(nèi)核的性能，當(dāng)CPU工作于所有允許的頻率（≤168MHz）時(shí)，在閃存中運(yùn)行的程序可以達(dá)到相當(dāng)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(diǎn)單元），提升了計(jì)算能力，可以進(jìn)行一些復(fù)雜的計(jì)算和控制。

由于STM32F407微控制器具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和豐富的外設(shè)，選用此微控制器作為數(shù)據(jù)處理核心芯片將極大地簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)，不需要使用專(zhuān)用串口FIFO芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，直接實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)幀中的識(shí)別碼、校驗(yàn)碼等，對(duì)其數(shù)據(jù)解包和封包的過(guò)程延時(shí)極其短暫，可以完成大數(shù)據(jù)量下的實(shí)時(shí)傳輸。

2.2硬件電路

通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如下圖2所示。STM32F407芯片提供多達(dá)6個(gè)USART異步串行端口，通過(guò)使用MAX485和MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，將其分解為2個(gè)RS422電平標(biāo)準(zhǔn)端口和4個(gè)RS232電平標(biāo)準(zhǔn)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(duì)輸出的RS422電平、RS232電平進(jìn)行隔離供電以及電平轉(zhuǎn)換；使用2片16bit數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片LTC1655分別輸出雷達(dá)高度、氣壓高度數(shù)據(jù)的高精度模擬量；使用74AHC1G125對(duì)PPS秒脈沖同步信號(hào)輸出，提高其帶負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控?cái)?shù)據(jù)、位置姿態(tài)數(shù)據(jù)的解析，使設(shè)備之間通過(guò)RS422/RS232串口傳輸。為了正確、順利和實(shí)時(shí)地完成傳輸，不同的設(shè)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?，將測(cè)控、位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行分幀發(fā)送，并在傳輸過(guò)程中對(duì)單幀中的數(shù)據(jù)進(jìn)行和校驗(yàn)。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(bǔ)償飛行、是否開(kāi)始記錄文件、是否進(jìn)入標(biāo)定模式等信息。下行遙測(cè)數(shù)據(jù)主要包括航磁儀的測(cè)量數(shù)據(jù)，如磁場(chǎng)強(qiáng)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(duì)不同USART端口接收到的信息內(nèi)容解析后進(jìn)行隊(duì)列排序，相互之間采用多線程結(jié)構(gòu)調(diào)用設(shè)計(jì)，用以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的偽并行處理，完成了航磁儀測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和無(wú)人機(jī)鏈路傳輸協(xié)議的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。通過(guò)實(shí)際的測(cè)試，系統(tǒng)誤碼率幾乎為零，自動(dòng)協(xié)議轉(zhuǎn)換時(shí)間遠(yuǎn)小于幀傳輸?shù)拈g隔時(shí)間，完全可以達(dá)到實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的要求。

3.2GPS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(wú)人機(jī)為航磁儀提供的經(jīng)緯度、姿態(tài)角、航向、雷達(dá)/氣壓高度等飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，用以方便航磁儀進(jìn)行補(bǔ)償和收錄。無(wú)人機(jī)主要的位姿數(shù)據(jù)包括雙點(diǎn)差分DGPS、高精度無(wú)線電雷達(dá)等傳感器數(shù)據(jù)。相比較而言航磁儀內(nèi)置GPS接收機(jī)性能指標(biāo)明顯低于無(wú)人機(jī)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(biāo)準(zhǔn)格式，并且將飛行高度信息進(jìn)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(guò)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(shí)別、信息和校驗(yàn)字的解包/封包分發(fā)的過(guò)程，使用LTC1655數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)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。