鑑於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，並且得到了實際應用。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。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。
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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採用RS422通信協議，而航磁儀的數據和命令接口採用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，而無人機鑑於安全的考慮，無法提供飛行高度的模擬信號，也需要設計數模轉換電路；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係不發生變化，明確無人機的整個接地關係，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。為了達到以上的規範要求，設計了專門用於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
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2.1
STM32F407是ST（意法半導體）推出的以ARM
由於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晶片將極大地簡化硬體電路設計，不需要使用專用串口FIFO晶片對數據進行緩存，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
通信協議轉換器系統的硬體設計如下圖2所示。STM32F407晶片提供多達6個USART異步串行埠，通過使用MAX485和MAX232電平轉換晶片，將其分解為2個RS422電平標準埠和4個RS232電平標準埠；採用LM2576、LM1805將隔離後的28
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3.1
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，不同的設備採用了不同定義的串口通信傳輸協議。多種傳輸協議都是基於幀傳輸的方式，將測控、位姿數據進行分幀發送，並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埠接收到的信息內容解析後進行隊列排序，相互之間採用多線程結構調用設計，用以實現多任務的偽並行處理，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於幀傳輸的間隔時間，完全可以達到實時傳輸數據的要求。
3.2
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於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，並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
本文主要描述了通過使用STM32F407嵌入式ARM晶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數模轉換晶片進行飛行高度數據模擬變換，以及使用光電隔離晶片和DC/DC電源模塊完成電平轉換和電氣隔離。