基于Nios II和“北斗”一代的氣象災(zāi)害預(yù)警信息接收終端設(shè)計?

文斌，李佶學(xué)，趙建，陳愛萍

基于Nios II和“北斗”一代的氣象災(zāi)害預(yù)警信息接收終端設(shè)計?

文斌，李佶學(xué)，趙建，陳愛萍

（成都信息工程學(xué)院通信工程學(xué)院，成都610225）

為了解決廣大偏遠(yuǎn)山區(qū)氣象災(zāi)害預(yù)警信息接收的“盲區(qū)”和供電困難的問題，提出一種基于Nios II和“北斗”一代的氣象災(zāi)害預(yù)警信息接收終端設(shè)計方案。采用Altera公司Cyclone系列的EP1C12Q240和一體化的“北斗”一代射頻單收芯片RNC2410，有效降低了終端的成本、體積與功耗。同時利用Nios II軟核處理器，通過軟件設(shè)計實現(xiàn)終端正確接收預(yù)警信息和報警。該方法已成功運用于山區(qū)洪災(zāi)與泥石流頻發(fā)地區(qū)預(yù)警信息的接收。

“北斗”一代；災(zāi)害預(yù)警；信息接收終端；Nios II；低功耗

1 引言

偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)不僅是氣象預(yù)警信息發(fā)布的“盲區(qū)”，也是災(zāi)害防御的薄弱地區(qū)。在信息接收終端設(shè)計時，信息的準(zhǔn)確接收、終端的使用成本、電源供給都是主要考慮的問題。目前，主要有以下兩種解決方案。一是利用無線廣播信號傳送語音和文字信息，接收終端不僅有聲音報警，還有文字顯示。這種方案終端的體積小，價格低，可直接用干電池供電，幾乎每個農(nóng)家都有能力配備。但遠(yuǎn)距離的無線廣播信號采用AM調(diào)制技術(shù)的長波、中波或短波的形式來傳播，這種傳播信號的方式很容易受到晝夜、季節(jié)、太陽黑子運動等因素的干擾，造成信號幅度的改變。因此，在山區(qū)此方案接收信息的穩(wěn)定性、可靠性得不到很好的保證。二是利用無線移動通信網(wǎng)絡(luò)，通過手機短信平臺進行預(yù)警信息發(fā)布，這種方案使用成本和發(fā)布成本都是最低廉的一種，但這種方案只適合在人口稠密地區(qū)使用，在偏遠(yuǎn)的山區(qū)依然存在很大的信號“盲區(qū)”。以上兩種方案雖然很好地解決了電源供給和使用成本的問題，但應(yīng)用范圍嚴(yán)格受到限制，同時也不能完全解決山區(qū)預(yù)警信號有效覆蓋的問題。

針對上述問題，本文提出一種基于Nios II和“北斗”一代的氣象災(zāi)害預(yù)警信息接收終端設(shè)計方案。該方案以“北斗”一代系統(tǒng)作為氣象災(zāi)害預(yù)警信息的發(fā)布平臺，用戶通過“北斗”一代信息接收終端接收預(yù)警信息［1］。終端硬件采用邏輯密度高的Cyclone II系列EP1C12Q240芯片和“北斗”射頻單收芯片RNC2410為主進行設(shè)計，其終端功耗低、體積小、成本低，有利于大面積推廣使用。與現(xiàn)有的方案相比，本方案具有如下優(yōu)點：第一，利用“北斗”通信覆蓋能力強的特點，有效解決了預(yù)警信息發(fā)布覆蓋“盲區(qū)”；第二，利用“北斗”系統(tǒng)的健壯性、可靠性，在災(zāi)害發(fā)生后，“北斗”信息接收終端又可作為其他預(yù)警系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)；第三，硬件設(shè)計采用Nios II軟核處理器的設(shè)計方案，大大降低了終端的體積與功耗，采用太陽能供電，有效解決了電源供給問題，同時也降低了終端的成本，為氣象災(zāi)害預(yù)警信息及時進村入戶創(chuàng)造了有利條件。

2 終端硬件實現(xiàn)原理

利用“北斗”一代系統(tǒng)設(shè)計的預(yù)警信息接收終端，由于應(yīng)用環(huán)境和成本的考慮終端只有信息接收功能，沒有發(fā)送功能，這樣降低了終端所需的功耗和FPGA所需的邏輯門級數(shù)。其終端設(shè)計采用RN2410和EP1C12Q240為核心的雙芯片方案。通過EP1C12Q240內(nèi)置Nios II軟核處理器和移植UC／OS -II操作系統(tǒng)完成應(yīng)用程序的設(shè)計。應(yīng)用程序主要實現(xiàn)預(yù)警信息的接收、信息的存儲、顯示、音頻報警、電源管理、硬件監(jiān)視等功能。

終端硬件實現(xiàn)原理如圖1所示。在圖1中，RNC2410為“北斗”一代射頻單收芯片，采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口輸出數(shù)據(jù)。芯片集成了接收通道所有模塊和頻率綜合器。接收通道既可以提供模擬信號輸出，又可以提供ADC采樣后的量化信號輸出，并可提供采樣時鐘輸出，采用片外少量的外圍器件就可以實現(xiàn)“北斗”用戶機的接收功能。EP1C12Q240為核心處理芯片，它主要完成的功能包括衛(wèi)星信號的二維捕獲、數(shù)據(jù)解調(diào)、載波相位與碼相位的跟蹤，以及輸入、輸出控制等［2-3］。

圖1 終端硬件組成原理圖Fig.1 The general structure of terminal hardware

EP1C12Q240芯片中，除SIM卡接口電路通過硬件描述語言自己編寫外，其余接口電路的IP核均來自于SOPC Builder軟件。其中配置芯片接口采用ASMI EPCS4系列，與之相連的Flash存儲空間中有如下內(nèi)容：一部分是FPGA的配置文件，另一部分作為常規(guī)程序存儲器用。采用此方案可以省去片外專門的程序存儲Flash，充分利用了配置芯片的資源［4-5］。

3 軟件設(shè)計

3.1數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

氣象災(zāi)害預(yù)警信息接收終端數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議如圖2所示，系統(tǒng)幀頭數(shù)據(jù)、發(fā)送目的地址、系統(tǒng)幀尾數(shù)據(jù)均為“北斗”系統(tǒng)所要求的數(shù)據(jù)段，嚴(yán)格按照其通信協(xié)議要求組織數(shù)據(jù)。幀號+數(shù)據(jù)類型占一個字節(jié)寬度，幀號占高4位，編號為0～15。數(shù)據(jù)類型占低4位，可根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進行分類［6］。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議Fig.2 Data transport protocol

3.2終端的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用UC／OS-II實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。根據(jù)Altera公司提供的操作系統(tǒng)移植文檔，很容易將UC／OS-II移入Nios II處理器中。在UCOS操作系統(tǒng)中，主要設(shè)計有以下幾個任務(wù)［7-8］：一是通信鏈路監(jiān)視任務(wù)，通過定時接收“北斗”系統(tǒng)的廣播信息來判定通信鏈路是否正常，如在規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到“北斗”廣播信息就向用戶發(fā)出終端硬件有錯的報警；二是報警輸出任務(wù)，當(dāng)收到氣象預(yù)警信息后，根據(jù)不同的情況進行報警；三是數(shù)據(jù)接收處理任務(wù)，對接收到的數(shù)據(jù)進行解幀，得到原始的數(shù)據(jù)流；四是顯示任務(wù)，完成人機界面功能；五是系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)，對整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行監(jiān)視。

3.2.1終端通信鏈路工作狀態(tài)的監(jiān)視程序流程

“北斗”一代系統(tǒng)廣播信息每31.25 ms一幀，連續(xù)不斷地發(fā)送。一條完整的廣播信息被安排在1 min內(nèi)，幀號從1～1 920內(nèi)不同的號段內(nèi)重復(fù)發(fā)送。在接收終端，每分鐘都能正確收到一條完整的廣播信息。如果終端在連續(xù)2 min內(nèi)沒有正確收到廣播信息，說明終端的通信功能不正常，采用聲音向用戶報警。同時，終端正常工作時，具有語音報時功能，用戶根據(jù)不同的聲音來判斷終端的工作狀況，其廣播信息接收及報警程序?qū)崿F(xiàn)算法流程如圖3所示。

圖3 通信鏈路工作狀態(tài)監(jiān)視程序流程Fig.3 Flowchart of communications link work state monitor process

3.2.2氣象預(yù)警信息接收數(shù)據(jù)程序流程

經(jīng)終端天線收到的“北斗”信號送入40 dB的低噪放大器放大，然后送入射頻接收芯片RNC2410進行下變頻處理轉(zhuǎn)換成中頻信號，再經(jīng)A／D量化后輸出送入EP1C12Q240中完成捕獲、跟蹤、解調(diào)、幀同步等功能，提取通信電文，然后將電文送入Nios II中進行數(shù)據(jù)解幀得到氣象預(yù)警信息。根據(jù)預(yù)警信息定義的規(guī)則進行報警與顯示，其程序?qū)崿F(xiàn)算法如圖4所示。

圖4 信息接收數(shù)據(jù)程序流程Fig.4 The program flow of warning information receiving

4 測試

報警終端主要完成災(zāi)害預(yù)警信息的接收、通信鏈路監(jiān)視、報警等主要功能。為了便于測試與分析，在終端中運行一個測試程序。在測試過程中將“北斗”信號快捕失敗、接收解算錯誤與定時時間到?jīng)]有收到數(shù)據(jù)均作數(shù)據(jù)丟失處理。為了便于對比分析，在另一個“北斗”發(fā)送終端中每30 s發(fā)送“111111111111111111111111”和“今天天氣真好”兩幀數(shù)據(jù)，并且交替循環(huán)發(fā)送。在測試程序中統(tǒng)計接收到的數(shù)據(jù)的總幀數(shù)、丟失數(shù)據(jù)的總幀數(shù)等相關(guān)參數(shù)，并通過串行口發(fā)送給PC機。同時，數(shù)據(jù)發(fā)送終端與接收終端的時鐘均與“北斗”時鐘同步。

在PC機中運行一個監(jiān)視程序顯示接收終端數(shù)據(jù)接收情況，運行界面如圖5所示，其數(shù)據(jù)接收區(qū)為預(yù)警信息接收內(nèi)容。衛(wèi)星信號強度指示條最多為4條，只要信號強度指示有1條以上都能進行通信。右邊為接收情況統(tǒng)計結(jié)果。為了測試終端在接收信號強弱不同的情況下數(shù)據(jù)發(fā)送的情況，通過改變終端接收天線的位置和方向進行測試，其測試結(jié)果如表1所示。

圖5 數(shù)據(jù)接收監(jiān)視結(jié)果Fig.5 The monitoring result of data receiving

表1 不同信號強度下網(wǎng)關(guān)通信情況Table 1 The communication state of gateway in different signal strength

從表1中可看出，在不同信號強度下，經(jīng)過12 h的連續(xù)測試，當(dāng)接收信號強度在2個指示條以上時，均能達(dá)到98%的成功率；當(dāng)只有1個信號指示條時，如有信號指示條閃斷表明接收信號不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)丟失和CRC檢驗錯誤的幀數(shù)增加，其數(shù)據(jù)接收的成功率就降低了。

5 結(jié)論

通過長時間的測試證明終端信息接收是穩(wěn)定、可靠的。盡管終端只收不發(fā)，但利用“北斗”系統(tǒng)定時發(fā)送廣播信號，可正確監(jiān)視終端通信鏈路和工作狀態(tài)是否穩(wěn)定，一旦發(fā)現(xiàn)終端不能正確接收“北斗”信號就及時報警。為了加大數(shù)據(jù)發(fā)送的成功率要求發(fā)送信息每次都用“北斗”系統(tǒng)定義的短幀發(fā)送，而不用其定義的超幀進行發(fā)送。終端采用太陽能電池供電，成本較低，可在山村以組為單位進行大面積布點，為國家提出的到2015年氣象災(zāi)害預(yù)警信息公眾覆蓋率達(dá)到90%以上，到2020年，建成功能齊全、科學(xué)高效、覆蓋城鄉(xiāng)和沿海的氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，基本消除預(yù)警信息發(fā)布“盲區(qū)”的目標(biāo)打下堅實的基礎(chǔ)。

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WEN Bin was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1970.He received the M.S.degree in 2007.He is now an associate professor.His research concerns development of communication product and embedded product.

Email：bwen＠cuit.edu.cn

李佶學(xué)（1991—），男，四川眉山人，主要從事無線與移動通信研發(fā)；

LI Ji-xue was born in Meishan，Sichuan Province，in 1991.His research concerns R＆D of wireless and mobile communication product.

趙建（1979—），男，四川成都人，2009年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要從事通信產(chǎn)品以及嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)；

ZHAO Jian was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1979. He received the M.S.degree in 2009.He is now a lecturer.His research concerns development of communication product and embedded product.

陳愛萍（1964—），女，四川成都人，1988年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向為無線通信與射頻技術(shù)。

CHEN Ai-ping was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1964.She received the M.S.degree in 1988.She is now an associate professor.Her research interests include wireless communication and radio frequency technology.

Design of Early-warning Information Receiving Terminal Based on Nios II and Beidou First Generation System

WEN Bin，LI Ji-xue，ZHAO Jian，CHEN Ai-ping
（Department of Communication Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China）

Based on Nios II and Beidou first generation system，a meteorological disaster warning information receiving terminal design scheme is proposed to deal with problems of receiving early-warning information in the majority of remote mountain where information receiving blind spot exists and power supply is difficult.By adopting FPGA EP1C12Q240 and RNC2410 RF chip，the cost，size and power consumption of the warning information receiving terminal hardware are reduced.At the same time，by using Nios II soft-core processor，this terminal can realize correct receiving early-warning information and alarm through software design.This method has been successfully applied in receiving early-warning information in mountain floods and debris flow-prone areas.

Beidou first generation system；disaster warning；information receiving terminal；Nios II；low power consumption

The Natural Science and Technological Development Fund of Chengdu University of Information Technology（CSRF200805）

TN967.1；TN802

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.05.036

文斌（1970—），男，四川成都人，2007年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要從事通信產(chǎn)品以及嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)；

1001-893X（2012）05-0786-04

2011-09-28；

2012-02-21

成都信息工程學(xué)院自然科學(xué)與技術(shù)發(fā)展基金資助項目（CSRF200805）