基于單片機(jī)的信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳志宏，翟成瑞，王紅亮

(中北大學(xué)a.電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

責(zé)任編輯:魏雨博

信標(biāo)機(jī)是一種能夠向外界傳送特定標(biāo)識信號的儀器設(shè)備。信標(biāo)機(jī)的應(yīng)用范圍很廣，在航空、航天、航海、交通車輛導(dǎo)航、氣象、手持機(jī)、彈載設(shè)備、導(dǎo)航等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。比如:1)在航天領(lǐng)域，可用該設(shè)備搜索黑匣子;2)在深水潛標(biāo)領(lǐng)域，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在布放海域海況惡劣時(shí)，回收操作比較困難，其中，潛標(biāo)浮上水面后的定位是整個(gè)回收作業(yè)中的重要一環(huán)［1］，一般情況下需要借助信標(biāo)機(jī)進(jìn)行定位;3)在箭載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器領(lǐng)域，可用該設(shè)備搜索數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器記錄了火箭在發(fā)射階段的許多參數(shù)，試驗(yàn)后需要對存儲(chǔ)器進(jìn)行回收進(jìn)而對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，但是在實(shí)驗(yàn)過程中，存儲(chǔ)器的回收難度較大，原因是殘骸落區(qū)范圍比較廣，地形也比較復(fù)雜，而且大部分落區(qū)都在人煙罕至的地區(qū)，目前主要是采用人工的方法尋找存儲(chǔ)器落點(diǎn)。使用信標(biāo)機(jī)可以準(zhǔn)確定位存儲(chǔ)器的落點(diǎn)，從而極大地降低回收難度。由此可見，信標(biāo)機(jī)的研究有很重要的意義。

目前我國信標(biāo)機(jī)定位精度并不高［2］，各方面的性能還需要進(jìn)一步的提高和完善。如果無法精確獲取目標(biāo)物的位置，就會(huì)給回收工作帶來很大困擾，所以設(shè)計(jì)高效率和高精度發(fā)射GPS位置信號功能的信標(biāo)機(jī)在科研方面具有很大的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)簡介

本信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)由信標(biāo)機(jī)主機(jī)和接收端兩大部分構(gòu)成。其中，信標(biāo)機(jī)主機(jī)包含GPS模塊、單片機(jī)、RF無線發(fā)送模塊;接收端主要包括GPS模塊、單片機(jī)、RF無線傳輸模塊、FT245和計(jì)算機(jī)。信標(biāo)機(jī)主機(jī)和接收端總體的設(shè)計(jì)框圖如圖1、圖2所示。

圖2 GPS信標(biāo)機(jī)接收端的組成框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 GPS 模塊［3－5］

在信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)中，導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性與精確性起到了越來越關(guān)鍵的作用。為了達(dá)到定位更精確的目的，本文在主機(jī)部分采用了2個(gè)GPS模塊，一個(gè)是北京東方聯(lián)星公司的CNS50－009衛(wèi)星導(dǎo)航接收板，模塊定位精度水平5 m，垂直10 m，速度精度為0.2 m/s，不受高度速度的限制，標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為5 V，接收板實(shí)現(xiàn)了射頻、基帶、導(dǎo)航結(jié)算一體化軟件/硬件設(shè)計(jì)，具有高動(dòng)態(tài)、高可靠性、體積小、工作穩(wěn)定的特點(diǎn)。其波特率為115 200 bit/s，該模塊受到啟動(dòng)命令才會(huì)工作，定位數(shù)據(jù)輸出格式為NMEA0183。定位數(shù)據(jù)輸出語句以0114EB3A開頭，共有66個(gè)有效字節(jié);另一個(gè)是采用瑞士U－BLOX公司的第六代GPS處理芯片MAX－6Q，此模塊的定位精度水平位置為2.5 m，垂直定位精度為10 m，但是受50 000 m高度和500 m/s速度的限制，標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為3.3 V，波特率為9 600 bit/s，工作頻率可通過公司自帶的配置軟件根據(jù)用戶的需求進(jìn)行選擇，該模塊不用發(fā)啟動(dòng)命令。定位數(shù)據(jù)輸出語句以0114EB3A開頭，共有66個(gè)有效字節(jié)。為了提高GPS和無線通信的抗遮擋能力選用質(zhì)量輕巧的專用微帶天線。

2.2 微處理器模塊

本設(shè)計(jì)單片機(jī)型號為C8051F040，工作電壓為5 V，可以直接接收GPS模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。單片機(jī)接收到GPS的定位數(shù)據(jù)并處理后，發(fā)送給無線射頻模塊。由于單片機(jī)只有兩個(gè)串口，而與單片機(jī)串口通信的器件針對僅有的兩個(gè)串口很明顯不夠。所以本文使用100個(gè)管腳的XCR3128芯片實(shí)現(xiàn)虛擬串口作用，彌補(bǔ)了單片機(jī)串口不夠的缺陷。而且把所有與單片有關(guān)的器件都連到了XCR3128芯片上。為了防止同時(shí)開兩中斷導(dǎo)致嵌套的問題，本設(shè)計(jì)采用輪詢方式接收定位信息。單片機(jī)進(jìn)行接收、挑選、處理信息之后通過USB芯片F(xiàn)T245實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。地面接收端可根據(jù)實(shí)際情況的要求實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的單機(jī)通信、點(diǎn)對多點(diǎn)的多機(jī)通信。

2.3 無線射頻模塊

無線射頻模塊型號為MaxStream公司的XTendTM900，該模塊的工作頻段為902～928 MHz，TTL電平輸入，發(fā)射功率1 W，供電電壓范圍是2.8～5.5 V。它具有先進(jìn)的安全性能，采用256 bit加密，可以組建對等傳輸、點(diǎn)對點(diǎn)傳輸核電對多點(diǎn)傳輸網(wǎng)絡(luò)，發(fā)射頻率采用FHSS(調(diào)頻擴(kuò)頻)技術(shù)，調(diào)制方式為FSK(頻移鍵控)，最多10個(gè)信道可選，每一個(gè)信道包含不同的網(wǎng)絡(luò)地址。此模塊具有較長的傳輸距離，當(dāng)輸出功率為1 W，輸出波特率為9 600 bit/s時(shí)，使用偶極子天線，直線視距傳輸距離最高為11 km，如果使用的是高增益天線其傳輸距離可達(dá)32 km，本設(shè)計(jì)采用的是高增益天線。該模塊自帶配置軟件，用戶可根據(jù)需求通過配置軟件使該模塊產(chǎn)生相應(yīng)性能指標(biāo)。Shutdown引腳能夠使模塊進(jìn)入sleep模式，當(dāng)不使用該模塊時(shí)可達(dá)到低功耗要求。

2.4 電源模塊

由于GPS信標(biāo)機(jī)的電流須達(dá)到1.4 A左右，該系統(tǒng)在連續(xù)工作的情況下，需要提供比較大的功率，因此選擇MILI公司5 000 mA的移動(dòng)電源，在滿電壓時(shí)通常能達(dá)到9～12 V，輸出電流最大為1.5 A。電源標(biāo)稱功率18.5 W，采用兩塊電源可以滿足系統(tǒng)4 h的工作需求。單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為5 V，在2.7～3.6 V電壓范圍內(nèi)可以正常工作。無線射頻模塊正常工作電壓范圍為2.8～5.5 V，本設(shè)計(jì)中用5 V供電。采用新雷能公司的DC－DC穩(wěn)壓芯片C543DK15－24S5W可以把電源電壓穩(wěn)定到5 V，為單片機(jī)與射頻模塊供電。由于各個(gè)器件的正常工作電壓不同，所以需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換才能使各個(gè)器件正常工作。本設(shè)計(jì)采用PT5401電源模塊把電壓從5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V，為相應(yīng)器件供電。電源電路圖如圖3、圖4所示。

圖3 5 V穩(wěn)壓電源模塊電路圖

2.5 軟件實(shí)現(xiàn)

本定位系統(tǒng)提取的主要是目標(biāo)的經(jīng)緯度、高度及時(shí)間信息，因而需要通過單片機(jī)對GPS發(fā)回來的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理，提取有用信息，將不需要的信息全部去掉，同時(shí)也減少了數(shù)據(jù)傳輸量，提高了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，降低了功耗。

圖4 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路圖

本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)數(shù)據(jù)接收采用輪詢的方式，軟件流程圖如圖5所示，首先單片機(jī)完成系統(tǒng)初始化，然后查詢串口1接收中斷標(biāo)志位RI，若RI為1，清除中斷標(biāo)志位RI，并開始讀取接收到的GPS數(shù)據(jù)，若檢測到接收到的數(shù)據(jù)的幀頭為“MYMGPRMC”，則將其存儲(chǔ)到數(shù)組里面，然后繼續(xù)接收，直到接收完規(guī)定的67個(gè)字節(jié)為止。否則，將數(shù)據(jù)丟棄。按照相同的方式，查詢、接收、存儲(chǔ)串口2所接收到的另一路GPS發(fā)送的數(shù)據(jù)，直到全部接收要求的字節(jié)數(shù)。數(shù)據(jù)的發(fā)送是在接收空閑時(shí)候進(jìn)行的，采用存儲(chǔ)器段選的方式，使得數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和發(fā)送在不同的存儲(chǔ)段分別進(jìn)行，避免了數(shù)據(jù)的混亂。

接收端接收到數(shù)據(jù)，并將其傳給上位機(jī)顯示。為了方便上位機(jī)識別與處理信息，需要對發(fā)送的字符串前自定義一個(gè)幀頭，本文規(guī)定東方聯(lián)星GPS信息在數(shù)據(jù)前加一個(gè)頭“EA”，MAX－6Q發(fā)送的GPS信息前加“EB”。

3 仿真結(jié)果

3.1 處理后的GPS數(shù)據(jù)

對于信標(biāo)機(jī)主機(jī)而言，主要負(fù)責(zé)接收2路GPS數(shù)據(jù)，并將其通過無線射頻模塊發(fā)送。通過串口調(diào)試助手，可以顯示主機(jī)接收到的2路GPS數(shù)據(jù)，其中“MYMGPRMC”為接收到的一路GPS數(shù)據(jù)幀頭，如圖6所示;“0114EB3A”為接收到的另一路GPS數(shù)據(jù)幀頭，如圖7所示。該數(shù)據(jù)表明，單片機(jī)正確接收了2路GPS數(shù)據(jù)，無丟數(shù)現(xiàn)象，完全符合設(shè)計(jì)的要求。

3.2 上位機(jī)演示結(jié)果圖

上位機(jī)演示結(jié)果如圖8所示，通過2路GPS模塊進(jìn)行定位，達(dá)到高精度定位的要求，同時(shí)也會(huì)防止因某些原因?qū)е缕渲幸宦范ㄎ幌到y(tǒng)失靈，從而達(dá)到了安全可靠的目的。本設(shè)計(jì)還采用了重復(fù)發(fā)數(shù)據(jù)的方法，目的是在GPS不發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)避免了地面接收機(jī)無數(shù)據(jù)顯示的情況，這樣就會(huì)提高該信標(biāo)機(jī)的定位精度。

圖8 信標(biāo)機(jī)主機(jī)接收到的第二路GPS數(shù)據(jù)圖(截圖)

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的無線定位信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)了對GPS信息的接收，傳輸以及分析處理。通過中斷查詢方式，單片機(jī)完成了對2路GPS信息的接收，并將數(shù)據(jù)傳輸給無線射頻模塊發(fā)送。為了進(jìn)一步提高GPS定位信息的可靠性、穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性，在單片機(jī)空閑時(shí)，將已發(fā)送的數(shù)據(jù)重新發(fā)送。接收端接收GPS數(shù)據(jù)，并通過上位機(jī)顯示。實(shí)驗(yàn)證明，采用GPS模塊與無線射頻傳輸模塊相結(jié)合的定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地定位，系統(tǒng)操作界面美觀靈活，自動(dòng)化與智能化程度高，可靠性和穩(wěn)定性強(qiáng)，通用性和移植性好，完全達(dá)到了預(yù)期效果。

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