摘 要： 針對彩虹三無人機航空磁力測量系統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，研發了一款專用于航磁測量的通信協議轉換器，實現了對航磁儀的測量數據和工作狀態的實時監測和控制，為航磁儀提供了所需的GPS信號和飛行高度數據，實現了彩虹三無人機與AARC510航磁實時收錄系統的無縫鏈接。
關鍵詞： 無人機航磁；協議轉換；STM32F407
0 引言
鑒于無人機航磁測量系統具有經濟、高效、安全的優勢，其在小區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的研發與應用日益受到世界航空地球物理勘查公司的廣泛關注。現在國外已發展了多套技術成熟的無人機航磁測量系統，并且得到了實際應用。典型的無人機航磁系統包括Fugro公司的Georanger系統、Magsurvey公司的PrionUAV系統等[1]。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議轉換、位置姿態數據的解析及D/A變換、相關系統的電氣隔離和電平轉換等。
1 系統總體設計
彩虹三無人機航磁測量系統總體設計框圖如圖1所示，主要由彩虹三無人機、通信協議轉換器、AARC510航磁儀三部分組成。
彩虹三無人機通信接口采用RS422通信協議，而航磁儀的數據和命令接口采用RS232通信協議，數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，也需要設計數模轉換電路[2]；在實際工作過程中，航磁儀GPS接收機會出現精度不足、容易丟星的情況，無人機可以提供差分高精度DGPS數據，因此對位姿數據進行標準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。為了達到以上的規范要求，設計了專門用于彩虹三無人機航磁測量系統的通信協議轉換器。
通信協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28 V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出航磁遙控指令，通信協議轉換器將接收到的數據幀進行解包，提取航磁控制命令后封包發送給航磁儀。（3）機載銫光泵探頭輸出的磁力數據經航磁儀量化后輸入到通信協議轉換器，其按照固定格式的數據幀進行封包，發送到飛控中心的無線電臺鏈路中，完成遙測數據的回傳。（4）無人機飛控中心輸出位置姿態數據，通信協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據收錄。
2 系統硬件設計
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技術使得程序零等待執行，提升了程序執行的效率，將Cortext-M4的內核性能發揮到了極致，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芯片對數據進行緩存，直接實時處理數據幀中的識別碼、校驗碼等，對其數據解包和封包的過程延時極其短暫，可以完成大數據量下的實時傳輸。
2.2 硬件電路
通信協議轉換器系統的硬件設計如下圖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28 V直流電源變換為5 V和3.3 V作為系統的工作電源；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16 bit數模轉換芯片LTC1655分別輸出雷達高度、氣壓高度數據的高精度模擬量；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 系統軟件設計
3.1 數據幀的解析
如前所述，通信協議轉換器的最主要的功能是實現遙測遙控數據、位置姿態數據的解析，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議。多種傳輸協議都是基于幀傳輸的方式，將測控、位姿數據進行分幀發送，并在傳輸過程中對單幀中的數據進行和校驗。數據幀的構成如下圖3所示。
上行遙控幀數據主要包括控制航磁儀的工作狀態，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。下行遙測數據主要包括航磁儀的測量數據，如磁場強度大小、經緯度及方向、系統工作狀態等信息。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，用以實現多任務的偽并行處理，完成了航磁儀測量數據傳輸協議和無人機鏈路傳輸協議的自動轉換。通過實際的測試，系統誤碼率幾乎為零，自動協議轉換時間遠小于幀傳輸的間隔時間，完全可以達到實時傳輸數據的要求。
3.2 GPS及高度數據的輸出
飛控中心發出的位置姿態數據是無人機為航磁儀提供的經緯度、姿態角、航向、雷達/氣壓高度等飛行狀態數據，用以方便航磁儀進行補償和收錄。無人機主要的位姿數據包括雙點差分DGPS、高精度無線電雷達等傳感器數據。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據。因此需要將原有的位姿數據解析轉化為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芯片完成通信數據的收發、通信協議幀數據的識別、信息和校驗字的解包/封包分發的過程，使用LTC1655數模轉換芯片進行飛行高度數據模擬變換，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。
參考文獻
[1] 康光華，陳大欽.電子技術基礎模擬部分[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的設計與實現[C].中國地質學會2013年學術年會摘要匯編，2013，213-216.