无人机航磁测量系统通信协议转换器的设计

 鉴于无人机航磁测量系统具有经济、高效、安全的优势，其在小区域大比例尺航空物探应用领域具有广阔前景。近年来无人机航磁测量系统的研发与应用日益受到世界航空地球物理勘查公司的广泛关注。现在国外已发展了多套技术成熟的无人机航磁测量系统，并且得到了实际应用。典型的无人机航磁系统包括Fugro公司的Georanger系统、Magsurvey公司的PrionUAV系统等。中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所在航空物探领域有较深的理论研究和应用实践，在2012年联合中国航天空气动力研究院开展彩虹系列无人机航空物探系统的研究工作，包括飞行平台的选型和改装、航磁和航放测量设备的适用化改型、系统集成以及搭载试验。其中涉及彩虹三无人机和AARC510航磁实时补偿收录系统的集成，主要工作任务包括遥测遥控通信接口设计以及通信协议转换、位置姿态数据的解析及D/A变换、相关系统的电气隔离和电平转换等。

1 系统总体设计

彩虹三无人机航磁测量系统总体设计框图如图1所示，主要由彩虹三无人机、通信协议转换器、AARC510航磁仪三部分组成。

彩虹三无人机通信接口采用RS422通信协议，而航磁仪的数据和命令接口采用RS232通信协议，数据格式有较大的差异，波特率、同步码和校验方式均不相同，因此需要在这两种接口之间设计专用的通信协议转换电路和程序。航磁仪需要在实时补偿过程中记录飞行高度数据的模拟信号，而无人机鉴于安全的考虑，无法提供飞行高度的模拟信号，也需要设计数模转换电路；在实际工作过程中，航磁仪GPS接收机会出现精度不足、容易丢星的情况，无人机可以提供差分高精度DGPS数据，因此对位姿数据进行标准GPS格式的变换也是必须的。此外无人机的电源地、信号地和外壳是相互分离的，即三地隔离。为了使无人机三地关系不发生变化，明确无人机的整个接地关系，消除飞行安全隐患，转换器必需做到电源隔离、信号隔离、外壳隔离。为了达到以上的规范要求，设计了专门用于彩虹三无人机航磁测量系统的通信协议转换器。

通信协议转换器的主要工作流程由以下4部分组成：（1）无人机输出28 V直流电源后经过DC/DC电源模块进行隔离转换，输入给转换器、航磁仪和铯光泵探头，是系统工作的能量来源。（2）遥测地面站经过无线电台向无人机飞控中心发出航磁遥控指令，通信协议转换器将接收到的数据帧进行解包，提取航磁控制命令后封包发送给航磁仪。（3）机载铯光泵探头输出的磁力数据经航磁仪量化后输入到通信协议转换器，其按照固定格式的数据帧进行封包，发送到飞控中心的无线电台链路中，完成遥测数据的回传。（4）无人机飞控中心输出位置姿态数据，通信协议转换器将其中的位姿信息解析并封包为GPS标准格式，姿态信息解析并由D/A转换器输出模拟信号，航磁仪完成最后的位姿数据收录。

2 系统硬件设计

2.1 STM32F4嵌入式ARM芯片

STM32F407是ST（意法半导体）推出的以ARM CortexTM-M4为内核的STM32F4系列高性能微控制器，其采用了90 nm的NVM工艺和ART（自适应实时存储器加速器）。ART技术使得程序零等待执行，提升了程序执行的效率，将Cortext-M4的内核性能发挥到了极致，使得STM32F4系列微控制器可达到210 DMIPS@168 MHz。自适应实时加速器能够完全释放Cortex-M4内核的性能，当CPU工作于所有允许的频率（≤168 MHz）时，在闪存中运行的程序可以达到相当于零等待周期的性能。另外STM32F4系列微控制器集成了单周期DSP指令和FPU（浮点单元），提升了计算能力，可以进行一些复杂的计算和控制。

由于STM32F407微控制器具有强大的计算能力和丰富的外设，选用此微控制器作为数据处理核心芯片将极大地简化硬件电路设计，不需要使用专用串口FIFO芯片对数据进行缓存，直接实时处理数据帧中的识别码、校验码等，对其数据解包和封包的过程延时极其短暂，可以完成大数据量下的实时传输。

2.2 硬件电路

通信协议转换器系统的硬件设计如下图2所示。STM32F407芯片提供多达6个USART异步串行端口，通过使用MAX485和MAX232电平转换芯片，将其分解为2个RS422电平标准端口和4个RS232电平标准端口；采用LM2576、LM1805将隔离后的28 V直流电源变换为5 V和3.3 V作为系统的工作电源；使用B0303-1W配合HCPL263L光耦对输出的RS422电平、RS232电平进行隔离供电以及电平转换；使用2片16 bit数模转换芯片LTC1655分别输出雷达高度、气压高度数据的高精度模拟量；使用74AHC1G125对PPS秒脉冲同步信号输出，提高其带负载驱动能力。

3 系统软件设计

3.1 数据帧的解析

如前所述，通信协议转换器的最主要的功能是实现遥测遥控数据、位置姿态数据的解析，使设备之间通过RS422/RS232串口传输。为了正确、顺利和实时地完成传输，不同的设备采用了不同定义的串口通信传输协议。多种传输协议都是基于帧传输的方式，将测控、位姿数据进行分帧发送，并在传输过程中对单帧中的数据进行和校验。数据帧的构成如下图3所示。

上行遥控帧数据主要包括控制航磁仪的工作状态，如是否磁补偿飞行、是否开始记录文件、是否进入标定模式等信息。下行遥测数据主要包括航磁仪的测量数据，如磁场强度大小、经纬度及方向、系统工作状态等信息。在STM32F407微控制器程序的控制下，对不同USART端口接收到的信息内容解析后进行队列排序，相互之间采用多线程结构调用设计，用以实现多任务的伪并行处理，完成了航磁仪测量数据传输协议和无人机链路传输协议的自动转换。通过实际的测试，系统误码率几乎为零，自动协议转换时间远小于帧传输的间隔时间，完全可以达到实时传输数据的要求。

3.2 GPS及高度数据的输出

飞控中心发出的位置姿态数据是无人机为航磁仪提供的经纬度、姿态角、航向、雷达/气压高度等飞行状态数据，用以方便航磁仪进行补偿和收录。无人机主要的位姿数据包括双点差分DGPS、高精度无线电雷达等传感器数据。相比较而言航磁仪内置GPS接收机性能指标明显低于无人机提供的位姿数据。因此需要将原有的位姿数据解析转化为GPS标准格式，并且将飞行高度信息进行模拟量输出。主要数据格式解析如下图4所示。

4 总结

本文主要描述了通过使用STM32F407嵌入式ARM芯片完成通信数据的收发、通信协议帧数据的识别、信息和校验字的解包/封包分发的过程，使用LTC1655数模转换芯片进行飞行高度数据模拟变换，以及使用光电隔离芯片和DC/DC电源模块完成电平转换和电气隔离。