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)*

劉俊杰，李軍峰，李文杰，余洋，吳珊，劉磊

（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北廊坊065000）

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)*

劉俊杰，李軍峰，李文杰，余洋，吳珊，劉磊

（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北廊坊065000）

針對(duì)彩虹三無(wú)人機(jī)航空磁力測(cè)量系統(tǒng)中遙測(cè)遙控及電氣隔離的問題，以無(wú)人機(jī)通信鏈路和航磁儀接口的特點(diǎn)為基礎(chǔ)，研發(fā)了一款專用于航磁測(cè)量的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)航磁儀的測(cè)量數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，為航磁儀提供了所需的GPS信號(hào)和飛行高度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了彩虹三無(wú)人機(jī)與AARC510航磁實(shí)時(shí)收錄系統(tǒng)的無(wú)縫鏈接。

無(wú)人機(jī)航磁；協(xié)議轉(zhuǎn)換；STM32F407

0 引言

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[1]。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。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

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[2]；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)了專門用于彩虹三無(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28 V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)

2.1 STM 32F4嵌入式ARM芯片

STM32F407是ST（意法半導(dǎo)體）推出的以ARM CortexTM-M4為內(nèi)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(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210 DMIPS@168 MHz。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（≤168 MHz）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28 V直流電源變換為5 V和3.3 V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16 bit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。

圖2 轉(zhuǎn)換器的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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。

圖3 遙控遙測(cè)數(shù)據(jù)幀的構(gòu)成

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。

3.2 GPS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。

圖4 位置姿態(tài)數(shù)據(jù)幀的解析

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。

[1]康光華，陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)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(wú)人機(jī)航磁遙測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[C].中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)2013年學(xué)術(shù)年會(huì)摘要匯編，2013，213-216.

UAV aeromagnetic measurement system interface converter design

Liu Junjie，Li Junfeng，Li Wenjie，Yu Yang，Wu Shan，Liu Lei
（Institute of Geophysical and Geochemical Exploration，CAGS，Langfang 065000，China）

Aiming at problems of CH-3 UAV aeromagnetic measurement remote sensing and control and electrical isolation，based on the characteristics of UAV communications link and aeromagnetic interface，a dedicated communication protocol aeromagnetic measurement converter is developed.It realizes monitoring and control aeromagnetic instrument measurement data and real-time work status，and provides the necessary GPS signals and altitude data for aeromagnetic instrument.It enables CH-3 UAV and AARC510 aeromagnetic real-time collection system to complete a seamless link.

aeromagnetic measurement；interface converter；STM32F407

TP216

A

1674-7720（2015）09-0035-02

2014-12-09）

劉俊杰（1989-），男，本科，助理工程師，主要研究方向：航空物探儀器儀表。

基于無(wú)人機(jī)的航空物探（電/磁/放）綜合站測(cè)量技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用示范（科[2014]04-038-016）

李軍峰（1972-），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向：航空物探儀器儀表。

李文杰（1970-），男，研究員，高級(jí)工程師，主要研究方向：航空物探儀器儀表。