0 弁言
鉴于无人机航磁丈量系统具有经济、高效、安全的上风，其在小区域大比例尺航空物探运用领域具有广阔前景。近年来无人机航磁丈量系统的研发与运用日益受到天下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能成熟的无人机航磁丈量系统，并且得到了实际运用。范例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[1]。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运用实践，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事情，包括翱翔平台的选型和改装、航磁和航放丈量设备的适用化改型、系统集成以及搭载试验。个中涉及彩虹三无人机和AARC510航磁实时补偿收录系统的集成，紧张事情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、干系系统的电气隔离和电平转换等。
1 系统总体设计
彩虹三无人机航磁丈量系统总体设计框图如图1所示，紧张由彩虹三无人机、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取RS422通信协议，而航磁仪的数据和命令接口采取RS232通信协议，数据格式有较大的差异，波特率、同步码和校验办法均不相同，因此须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。航磁仪须要在实时补偿过程中记录翱翔高度数据的仿照旗子暗记，而无人机鉴于安全的考虑，无法供应翱翔高度的仿照旗子暗记，也须要设计数模转换电路[2]；在实际事情过程中，航磁仪GPS吸收机会涌现精度不敷、随意马虎丢星的情形，无人机可以供应差分高精度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、旗子暗记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革，明确无人机的全体接地关系，肃清翱翔安全隐患，转换器必需做到电源隔离、旗子暗记隔离、外壳隔离。为了达到以上的规范哀求，设计了专门用于彩虹三无人机航磁丈量系统的通信协议转换器。
通信协议转换器的紧张事情流程由以下4部分组成：（1）无人机输出28 V直流电源后经由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，是系统事情的能量来源。（2）遥测地面站经由无线电台向无人机飞控中央发出航磁遥控指令，通信协议转换器将吸收到的数据帧进行解包，提取航磁掌握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，发送到飞控中央的无线电台链路中，完成遥测数据的回传。（4）无人机飞控中央输出位置姿态数据，通信协议转换器将个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转换器输出仿照旗子暗记，航磁仪完成末了的位姿数据收录。
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系列高性能微掌握器，其采取了90 nm的NVM工艺和ART（自适应实时存储器加速器）。ART技能使得程序零等待实行，提升了程序实行的效率，将Cortext-M4的内核性能发挥到了极致，使得STM32F4系列微掌握器可达到210 DMIPS@168 MHz。自适应实时加速器能够完备开释Cortex-M4内核的性能，当CPU事情于所有许可的频率（≤168 MHz）时，在闪存中运行的程序可以达到相称于零等待周期的性能。其余STM32F4系列微掌握器集成了单周期DSP指令和FPU（浮点单元），提升了打算能力，可以进行一些繁芜的打算和掌握。
由于STM32F407微掌握用具有强大的打算能力和丰富的外设，选用此微掌握器作为数据处理核心芯片将极大地简化硬件电路设计，不须要利用专用串口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芯片供应多达6个USART异步串行端口，通过利用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；采取LM2576、LM1805将隔离后的28 V直流电源变换为5 V和3.3 V作为系统的事情电源；利用B0303-1W合营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；利用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仿照量；利用74AHC1G125对PPS秒脉冲同步旗子暗记输出，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紧张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。为了精确、顺利和实时地完成传输，不同的设备采取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办法，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。
上行遥控帧数据紧张包括掌握航磁仪的事情状态，如是否磁补偿翱翔、是否开始记录文件、是否进入标定模式等信息。下行遥测数据紧张包括航磁仪的丈量数据，如磁场强度大小、经纬度及方向、系统事情状态等信息。在STM32F407微掌握器程序的掌握下，对不同USART端口吸收到的信息内容解析后进行行列步队排序，相互之间采取多线程构造调用设计，用以实现多任务的伪并行处理，完成了航磁仪丈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，系统误码率险些为零，自动协议转换韶光远小于帧传输的间隔韶光，完备可以达到实时传输数据的哀求。
3.2 GPS及高度数据的输出
飞控中央发出的位置姿态数据是无人机为航磁仪供应的经纬度、姿态角、航向、雷达/气压高度等翱翔状态数据，用以方便航磁仪进行补偿和收录。无人机紧张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。比较较而言航磁仪内置GPS吸收机性能指标明显低于无人机供应的位姿数据。因此须要将原有的位姿数据解析转化为GPS标准格式，并且将翱翔高度信息进行仿照量输出。紧张数据格式解析如下图4所示。
4 总结
本文紧张描述了通过利用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，利用LTC1655数模转换芯片进行翱翔高度数据仿照变换，以及利用光电隔离芯片和DC/DC电源模块完成电平转换和电气隔离。
参考文献
[1] 康光华，陈大钦.电子技能根本仿照部分[M].北京：高档教诲出版社，1999.
[2] 李军峰，肖都，李文杰，等.无人机航磁遥测系统的设计与实现[C].中国地质学会2013年学术年会择要汇编，2013，213-216.
