多通道航磁同步數據采集系統的研制

摘要：針對無人機多傳感器矢量磁測補償系統，研制了一套小體積、低功耗的多通道數據同步采集系統。該系統采用模擬采集和控制部分分開設計的方法。模擬采集部分基于STM32處理器STM32F103C8T6，集成了9通道24位高精度的模數轉換芯片ADS1255、傾角和溫度傳感器，能夠實現9通道數據的同步采集、飛行載體的傾角數據和溫度數據的獲取。控制部分基于32位ARM低功耗處理器S3C2416和嵌入式LINUX系統，完成了數據實時采集、SD卡存儲、GNSS同步校時和網絡通信等功能，并具有功耗低、體積小的特點，滿足了機載數據采集系統特定的應用需求。

關鍵詞：無人機航磁；數據采集；多通道；ARM

中圖分類號：P315.62"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1000-0666（2025）01-0151-08

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2025.0016

0 引言

研究地表處的磁場有助于地震學家了解孕震區地下介質電導率在地震發生前的變化。地震預報專家基于震磁異常效應的預測分析方法，在以往許多中強震前給出了有效的預測意見（倪曉寅，洪旭瑜，2022；翟世龍等，2024）。因此，開展高分辨率的地磁場觀測在地震科學研究和地震監測預報等方面具有重要應用價值。無人機磁測是近年來迅速發展起來的一種地磁觀測方式（崔志強等，2016）。通過無人機搭載磁測系統，可以探測地磁監測空白區的磁場變化情況，能夠在很大程度上彌補地面地磁臺站觀測的不足（王猛等，2022；張永旺等，2022）。但由于無人機機體鐵磁性材料及電子設備的干擾，無人機矢量磁測數據經姿態校正后仍無法與地面臺站觀測數據質量相比（郭華等，2022；杜俊岐，2021），因此，對機體干擾磁場補償是提高航磁測量數據質量的關鍵（高全明，2020）。現有的采用多傳感器的差分補償方法，即在機頭、兩側機翼分別放置一個傳感器，能夠克服機體自身剩磁干擾（朱學軍，2014；趙琳等，2018），提高磁測數據質量。傳感器一般采用低功耗、小體積的磁通門矢量傳感器，而數據采集系統需要根據實際應用需求進行定制化研制。為了采集低噪聲、高精度的無人機磁測數據，本文針對3個磁通門傳感器補償系統，研制了能夠接入3個三分量傳感器的多通道數據同步采集系統。該系統由模擬采集和控制兩部分功能模塊組成，分開設計成相應的兩塊體積較小的電路板，以便適應空間有限的安裝應用環境。其中，模擬采集部分采用高性能低功耗的32位微處理器STM32F103C8T6，完成9通道數據的同步采集、溫度數據和傾角數據的獲取，可滿足無人機磁測系統的重量要求和姿態校正需要（Funaki et al，2014）；控制部分基于ARM+LINUX嵌入式系統為程序運行平臺，實現GNSS精確授時和本地大容量數據存儲及網絡傳輸接口，方便存儲數據文件的下載和后接無線模塊進行實時傳輸。該采集系統體積小、功耗低，能夠滿足中小型無人機對載荷重量和搭載空間有限的需求（周普志等，2022）。

1 系統設計方案

本系統包括模擬采集部分和控制部分。系統框圖如圖1所示。模擬采集部分需要實現的功能有：將3個三分量磁通門傳感器的輸入模擬信號連續轉換為24位高分辨率的數字信號，通過SPI串口同步發送給微處理器STM32，微處理器STM32將9通道AD數據、傾角數據和溫度數據打包并按照規定的通信協議發送給控制部分。控制部分需要實現的功能有：①與模擬采集部分通信，對原始采集數據進行解析、格式轉換、整理等得到最終的數據結果，并進行本地存儲管理；②實現遠程FTP存儲數據下載和傳輸等；③為系統的實時時鐘提供時鐘驅動，并完成GNSS的同步校時和授時功能；④本系統提供穩定、低噪聲的供電電壓。

2 模擬采集部分

2.1 電源模塊

模擬采集部分的電壓由控制部分提供，輸入電壓為12 V左右，首先經過穩壓芯片WRB1206S-3WR2降為6 V，其體積小、效率高，擁有可持續短路保護功能，電源模塊電路圖如圖2所示。由圖2可見，輸入電壓又可分為兩路，一路經功耗較低的穩壓芯片K7803MT-1000R4轉為5 V供給模擬采集電路板中的數字部分，另一路經低壓差線性穩壓器LDO轉為5 V后又經高精度低溫漂低噪聲電壓源ADR4525CRZ降低至2.5 V，供給模擬采集電路板中的模擬部分。為避免模擬芯片受到高頻噪聲干擾，對模擬部分和數字部分進行了隔離供電，并采用一點接地的方式。

2.2 9通道AD同步采集模塊

多傳感器差分補償的實現要求傳感器的數據采集同步。為此，9通道AD芯片采用同一高精度外部時鐘驅動，能夠使得各通道的采集具有嚴格同步的時鐘周期，模塊設計如圖3所示。

為滿足傳感器輸出信號的大動態范圍，本系統采用24位高精度模數轉換芯片ADS1255。這是一款內帶四階ΣΔ調制器的高精度24位AD，具有可達23位無噪聲分辨率、最大非線性±0.001%的優良特性，且外圍電路非常簡潔，有利于提高系統的可靠性和信噪比。采集部分采用低功耗單片機處理器STM32F103C8T6，其與9個模數轉換芯片ADS1255之間采用SPI高速串行通訊接口，各通道AD轉換完成后輸出的/DRDY低電平中斷信號經或門電路合并為一路，作為采集處理器讀取AD轉換數據的總中斷信號，因而能夠實現9通道AD轉換數據的同步讀取。

采集數據的絕對時間戳的準確性由控制部分的上位機采用GNSS校時實現。上位機接收到采集部分的實時數據后，通過讀取系統RTC獲得絕對時間。RTC時間由GNSS接收模塊進行校時，并為保證校時精確性，系統采用GNSS模塊的秒脈沖信號PPS作為校時的中斷信號。

2.3 模擬采集程序設計

采集程序首先對串口等外圍接口及外設進行初始化，配置中斷優先級、設置采集參數等。采集部分控制器收到采集中斷信號后，進入中斷服務函數，讀取轉換結果。

模擬采集和控制部分之間采用串口通信，為保證傳輸數據的完整性，設計通信協議為4 Byte幀頭+48 Byte有效數據+4 Byte幀尾，數據的接收和發送均按照通信協議進行，如圖4所示。

3 控制部分

為滿足控制部分對系統的軟、硬件要求，采用低功耗高性能的32位嵌入式ARM處理器S3C2416作為主控制器，以裁剪后的嵌入式LINUX操作系統作為程序運行平臺。采用RS232串口與模擬采集部分進行通信，外接32 GB存儲卡作為采集數據存儲器；采用10/100 M自適應網卡作為對外傳輸通信，并用以查詢和設置采集器參數，如圖5所示。

數據存儲模塊采用容量為32 GB的TF卡，其體積小、容量大、存取速度快。在9通道50 Hz采樣時，可存儲大約5個月的連續采集數據。控制器采用SDIO（安全數字輸入、輸出）接口連接TF卡。

GNSS模塊采用靈敏度高、體積小、功耗低的NEO-6M芯片，其內置NMEA-0183標準協議。NMEA-0183協議是為了在不同的GNSS導航設備中建立統一的RTCM標準。該協議定義了多種命令，最常用的6種命令分別為$GPGGA、$GPGLL、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC和$GPVTG，其中$GPRMC包含了最小定位信息，如時間、經緯度等，滿足本采集系統校時和定位的設計需求，因此本模塊僅解析該命令。

控制部分程序基于LINUX系統設計，分為應用層和驅動層。驅動層通過響應硬件中斷，實現實時處理。應用層主要負責數據的接收和處理，并響應各類控制命令，實現人機接口。

驅動程序設計如圖6所示。設備驅動程序響應硬件請求，是內核與硬件之間的接口。為使采集數據有精確的采樣時刻，采集系統在驅動程序中通過中斷方式響應來自GNSS模塊的秒脈沖（Pulse Per Second，PPS）信號，并通過SIGNAL信號機制通知應用程序。

應用程序完成數據采集、數據校時、數據存儲、數據處理和網絡傳輸通訊等任務，主要有實時數據接收模塊、GNSS高精度時間服務模塊、本地數據存儲模塊、遠程數據服務模塊，如圖7所示。為了實現多任務的“并行”處理，應用程序采用多線程設計。在采集器應用程序設計中，以全局數組變量作為公共的數據緩沖池，并創建4個處理線程：線程1是程序主線程，循環監控網絡連接請求。當有遠程用戶試圖連接時，主線程創建一個新的線程去處理，然后繼續進行循壞監控；線程2用于與下位機通信獲取采集數據，同時處理GNSS秒響應信號，為采集數據標上精確時間戳；線程3用于數據的本地存儲管理，根據采集器的設置要求按每小時的時間長度保存為連續數據文件，并監控存儲空間容量變化情況，根據設置是否要刪除過期數據文件等處理；線程4對采集的原始數據進行解析處理，如數據格式轉換等。

4 性能指標測試

4.1 線性度誤差測量

設置該數據采集系統采樣率為50 SPS，使用高精度直流電源輸出直流電壓信號，測試信號幅度分別選擇為-5 V、-4 V、-3 V、-2 V、-1 V、0 V、1 V、2 V、3 V、4 V、5 V，每個測試點記錄30 s長的數據，線性測試數據記錄見表1。由最小二乘法（地震觀測儀器進網技術要求地震烈度儀，DB/T 59—2015）計算得到線性度誤差為5.56×10-6，線性測試結果如圖8所示。

4.2 幅頻特性測試

采用信號發生器輸出正弦信號作為采集系統的測試信號。測試時，使輸入正弦測試信號幅值保持2 V（峰值）不變，輸入頻率為0.01～25 Hz，采集系統采樣率為50 SPS，記錄采集系統的輸出并通過快速傅里葉變換計算響應信號幅值。以0.01 Hz時的輸出信號幅度作為參考，輸出信號幅值降至0.707倍即-3 dB時的輸入信號頻率即為該采集系統的響應截止頻率。幅頻特性測試記錄見表2，表中分貝數計算如下：

dB=20×lg（Ni/N0）（1）

式中：Ni為測量值，i= 0、1、2……24。

幅頻特性測試結果如圖9所示，結合圖中數據可以看出，頻帶范圍為DC～22 Hz。

4.3 連接磁通門磁力儀測試

在北京國家地球觀象臺的地磁觀測室內進行數采連接磁通門磁力儀的觀測實驗。在數采的輸

入端接入3臺磁通門磁力儀，等待磁通門磁力儀運行穩定后，選取一天的測試數據（時間為國際標準時）與臺站儀器記錄的數據進行對比分析，數采所記錄的3臺磁通門磁力儀測試數據與臺站磁力儀觀測數據經去平均值后其日變曲線如圖10所示。從圖中可以看出，3臺測試儀器與臺站儀器記錄到的磁日變曲線大致重合。引入皮爾遜互相關系數進一步分析測試數據的一致性，皮爾遜法則是一種經典的相關系數計算方法，主要用于表征線性相關性能，皮爾遜相關系數為-1～1，絕對值越接近于1，則表明兩個變量的相關程度越高（劉若男等，2022）。因此，該方法常用于比較地磁矢量觀測數據的一致性（劉成等，2019；周思遠等，2023）。3臺磁力儀測試數據與臺站磁力儀觀測數據的皮爾遜互相關系數分析見表3，從表中可以看出，3臺測試儀器之間以及3臺測試儀器與臺站儀器之間的數據互相關系數均為0.9以上，表明其一致性較高。

4.4 功耗測試

控制部分單獨工作時，功耗為1.3 W。連接上模擬采集部分，等待整個采集系統穩定之后測得的功耗為4.5 W。

5 討論

基于嵌入式技術設計的多通道數據采集系統，采用模擬采集和控制部分分體式的設計，模擬采集電路板大小為18 cm×11 cm，控制部分電路板大小為11 cm×8 cm，較小的尺寸使得其在空間有限的無人機上的安裝和固定更具靈活性，并可以使易受干擾的傳感器精密模擬信號處理系統遠離噪聲較大的數字系統。整個系統穩定工作后的功耗僅為4.5 W，較低的功耗可以提高采集效率，延長續航時間。對于地面地磁觀測，1 SPS的采樣率已能滿足觀測準靜態地磁場的要求。對于航磁，為了獲得較高的空間分辨率則需要提高采樣率。在不高于100 km/h的航速時，采用50 SPS的采樣率能實現每米距離得到1個采樣點的精度。幅頻特性測試結果表明頻帶滿足采樣率的要求。較高采樣率對于通道間的同步提出了更高的要求。本文對模擬采集部分的9個AD芯片使用同一外部時鐘驅動，其采集信號經或門電路合為一路作為中斷信號，使處理器可以同步采集9個AD芯片的數據，保證了通道間數據具有高精度的相對同步。控制部分的GNSS模塊為整個系統提供時間信息和PPS秒信號，從而保證本地時鐘具有高精度絕對準確性。從靜態測試結果來看，該數據采集系統能夠滿足多通道航磁測量的需求。但是在飛行情況下，該系統的采樣精度、穩定性等是否會受影響，無人機自身以及環境的磁干擾是否會降低采集質量等問題都需要開展無人機動態測試驗證，但因北京地區飛控管制以及無人機設備借用不便等問題，機載動態測試目前尚未進行。此外，動態測試需要選擇機身材料磁屏蔽能力較高、續航時間長、可控性較強的無人機，在磁干擾較小的環境內以重復路線多次飛行的方式對系統的噪聲、穩定性等進行測試。

6 結論

本文針對多傳感器磁測系統，研制了一套可適用于無人機的多通道航磁同步數據采集系統，該系統基于嵌入式LINUX系統，提供具有高精度的本地時鐘，并通過同一高精度外部時鐘驅動9通道AD同步采集模塊，設置系統采樣率為50 Hz以提高采集精度。對該系統進行測試，主要得到以下結論：

（1）該數據采集系統體積小、質量輕、功耗低，適用于無人機。

（2）該系統在50 SPS的采樣率下，線性度誤差為5.56×10-6，-3 dB頻帶范圍為DC～22 Hz，滿足航磁的高分辨率采集需求。

（3）3個磁力儀之間以及3個磁力儀與臺站比對儀器之間的采集數據一致性良好，表明該數據采集系統各通道之間的同步性較好、數據質量較高。

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Development of the Multi-channel AeromagneticSynchronous Data Acquisition System

CHEN Zhuolin1，HU Xingxing1，TENG Yuntian1，LIU Gaochuan2，SHEN Xiaoyu3，CAO Yujia1

（1.Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China）

（2.China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China）

（3.Suzhou Institute of Industrial Technology，Suzhou 21500，Jiangsu，China）

Abstract

A multi-channel synchronous data acquisition system with small volume and low power consumption was developed for the UAV multi-sensor vector magnetic measurement compensation system.It adopted a separate design of analog acquisition and control parts，which effectively improved flexibility of installation in limited space.The analog acquisition part was based on STM32 processor STM32F103C8T6，which integrated 9-channel 24-bit high-precision analog-to-digital converter ADS1255，inclination chip and temperature sensor.It can realize synchronous acquisition of 9-channel data，inclination data and temperature data of the carrier.The control part was based on the 32-bit ARM low power processor S3C2416 and embedded LINUX system，and completed the functions of real-time data acquisition，SD card storage，GNSS synchronous time calibration and network communication，and had low power consumption and small size，which can meet the specific application requirements of airborne data acquisition system.

Keywords：UAV aeromagnetics；data acquisition；multi-channel；ARM