無(wú)人機航磁測量系統通信協(xié)議轉換器的設計

鑒于無(wú)人機航磁測量系統具有經(jīng)濟、高效、安全的優(yōu)勢，其在小區域大比例尺航空物探應用領(lǐng)域具有廣闊前景。近年來(lái)無(wú)人機航磁測量系統的研發(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在國外已發(fā)展了多套技術(shù)成熟的無(wú)人機航磁測量系統，并且得到了實(shí)際應用。典型的無(wú)人機航磁系統包括Fugro公司的Georanger系統、Magsurvey公司的PrionUAV系統等。中國地質(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用實(shí)踐，在2012年聯(lián)合中國航天空氣動(dòng)力研究院開(kāi)展彩虹系列無(wú)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(wú)人機和AARC510航磁實(shí)時(shí)補償收錄系統的集成，主要工作任務(wù)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)數據的解析及D/A變換、相關(guān)系統的電氣隔離和電平轉換等。

1系統總體設計

彩虹三無(wú)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(wú)人機、通信協(xié)議轉換器、AARC510航磁儀三部分組成。

彩虹三無(wú)人機通信接口采用RS422通信協(xié)議，而航磁儀的數據和命令接口采用RS232通信協(xié)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(zhuān)用的通信協(xié)議轉換電路和程序。航磁儀需要在實(shí)時(shí)補償過(guò)程中記錄飛行高度數據的模擬信號，而無(wú)人機鑒于安全的考慮，無(wú)法提供飛行高度的模擬信號，也需要設計數模轉換電路；在實(shí)際工作過(guò)程中，航磁儀GPS接收機會(huì )出現精度不足、容易丟星的情況，無(wú)人機可以提供差分高精度DGPS數據，因此對位姿數據進(jìn)行標準GPS格式的變換也是必須的。此外無(wú)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(wú)人機三地關(guān)系不發(fā)生變化，明確無(wú)人機的整個(gè)接地關(guān)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(zhuān)門(mén)用于彩虹三無(wú)人機航磁測量系統的通信協(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(wú)人機輸出28V直流電源后經(jīng)過(guò)DC/DC電源模塊進(jìn)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(lái)源。（2）遙測地面站經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)電臺向無(wú)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據幀進(jìn)行解包，提取航磁控制命令后封包發(fā)送給航磁儀。（3）機載銫光泵探頭輸出的磁力數據經(jīng)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據幀進(jìn)行封包，發(fā)送到飛控中心的無(wú)線(xiàn)電臺鏈路中，完成遙測數據的回傳。（4）無(wú)人機飛控中心輸出位置姿態(tài)數據，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據收錄。

2系統硬件設計

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(shí)時(shí)存儲器加速器）。ART技術(shù)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(fā)揮到了極致，使得STM32F4系列微控制器可達到210DMIPS@168MHz。自適應實(shí)時(shí)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(shí)，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(diǎn)單元），提升了計算能力，可以進(jìn)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(jiǎn)化硬件電路設計，不需要使用專(zhuān)用串口FIFO芯片對數據進(jìn)行緩存，直接實(shí)時(shí)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(guò)程延時(shí)極其短暫，可以完成大數據量下的實(shí)時(shí)傳輸。

2.2硬件電路

通信協(xié)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(gè)USART異步串行端口，通過(guò)使用MAX485和MAX232電平轉換芯片，將其分解為2個(gè)RS422電平標準端口和4個(gè)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(jìn)行隔離供電以及電平轉換；使用2片16bit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(dòng)能力。

3系統軟件設計

3.1數據幀的解析

如前所述，通信協(xié)議轉換器的最主要的功能是實(shí)現遙測遙控數據、位置姿態(tài)數據的解析，使設備之間通過(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)議都是基于幀傳輸的方式，將測控、位姿數據進(jìn)行分幀發(fā)送，并在傳輸過(guò)程中對單幀中的數據進(jìn)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(tài)，如是否磁補償飛行、是否開(kāi)始記錄文件、是否進(jìn)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(chǎng)強度大小、經(jīng)緯度及方向、系統工作狀態(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(jìn)行隊列排序，相互之間采用多線(xiàn)程結構調用設計，用以實(shí)現多任務(wù)的偽并行處理，完成了航磁儀測量數據傳輸協(xié)議和無(wú)人機鏈路傳輸協(xié)議的自動(dòng)轉換。通過(guò)實(shí)際的測試，系統誤碼率幾乎為零，自動(dòng)協(xié)議轉換時(shí)間遠小于幀傳輸的間隔時(shí)間，完全可以達到實(shí)時(shí)傳輸數據的要求。

3.2GPS及高度數據的輸出

飛控中心發(fā)出的位置姿態(tài)數據是無(wú)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)數據，用以方便航磁儀進(jìn)行補償和收錄。無(wú)人機主要的位姿數據包括雙點(diǎn)差分DGPS、高精度無(wú)線(xiàn)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(wú)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(jìn)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(guò)使用STM32F407嵌入式ARM芯片完成通信數據的收發(fā)、通信協(xié)議幀數據的識別、信息和校驗字的解包/封包分發(fā)的過(guò)程，使用LTC1655數模轉換芯片進(jìn)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。