基于藍牙技術的北斗手機伴侶的設計與實現

安徽四創電子股份公司 唐述強 梁本仁 王 偉 王世臣

基于藍牙技術的北斗手機伴侶的設計與實現

安徽四創電子股份公司 唐述強 梁本仁 王 偉 王世臣

北斗衛星導航系統是我國自主研發的衛星導航系統，具有授時、定位、導航、短報文通信等特點。針對北斗天線和射頻信號處理模塊體積大、攜帶不便等問題，提出了一種利用藍牙技術實現手機與北斗模塊通信的便攜式終端。系統以ARM微處理器為核心，集成在北斗射頻信號處理模塊、北斗信息處理模塊、藍牙通信模塊，實現終端與手機的無線互聯，從而解決了北斗終端系統攜帶不便的問題。

北斗導航；手機伴侶；衛星無線電測定業務；藍牙

0 引言

北斗衛星導航系統（簡稱北斗）是我國獨立自主研制的衛星導航定位系統，其全天候、低成本的優點，是的北斗導航技術在軍民多個領域得到了廣泛的應用[1]。北斗衛星導航系統不僅能夠實現授時和定位導航，其特點是具有短報文通信功能，使得終端用戶可以在衛星系統覆蓋區域內進行雙向通信，這是我國自主研發的北斗衛星導航系統所獨有的創新性功能。本文提出的基于藍牙技術的北斗手機伴侶終端是在北斗應用市場的一個積極嘗試。

1 系統介紹

北斗藍牙伴侶是一款支持北斗二號RDSS的S、L頻點、RNSS的B1頻點及GPS的L1頻點，集RDSS的雙向定位、短報文通信、SOS以及RNSS的定位導航功于一體的多功能衛星導航定位終端。終端通過藍牙與手機或平板連接，配套APP軟件操作，界面功能豐富[2]，為用戶提供高穩定性的衛星通信定位網絡，適于野外探險、緊急救援等行業，加之北斗資費低廉且可實現定位監控組網，相比傳統衛星電話更具特色。產品外形結構小巧、便攜，同時具有手機充電寶功能，必要時可為手機提供外部電源供電，延長手機的續航能力。北斗藍牙伴侶打破了傳統北斗通信終端大、重、續航不足的劣勢，堪稱北斗業界具有革命性的產品。

2 系統硬件設計

2.1 硬件整體設計方案

北斗藍牙伴侶硬件設計可以分為6個模塊：1)電源處理模塊；2)射頻天線模塊；3)射頻信號處理模塊；4)主控模塊；5)設備信息顯示模塊；6)藍牙通信模塊。系統總體結構設計結構框圖如圖1所示。

電源模塊主要實現電源的穩壓和升降壓變換，以及電源充放電管理，實現產品的充電寶功能[3]。射頻天線模塊主要實現與衛星信號的對接，實現衛星信號的接受和發送；射頻基帶處理模塊主要實現衛星射頻信號與中頻信號的轉換，以及中頻信號的解調處理。主控模塊是整個設備的核心控制單元，采用ARM微處理器，實現對北斗協議數據的預處理，及其余模塊的控制。信息顯示模塊采用微型OLED顯示屏，對產品各種狀態信息及北斗短報文進行顯示。藍牙通信模塊采用貼片式藍牙模塊設計，實現產品與手機設備的無線互聯及數據交互。

圖1 硬件模塊組成框圖

2.2 電源模塊設計方案

設備采用鋰電池供電，鋰電池輸出電壓范圍為3.7V～4.2V。ARM處理器和外圍器件的工作電壓為3.3V，利用XC6210芯片實現鋰電池電壓到器件工作電壓的變換；作為充電寶的放電電壓需要5V，同時外部輸入的鋰電池充電電壓也是5V，但是兩者之間的鋰電池電壓為3.7V～4.2V，因此需要對輸入輸出電壓做一定的變換。

圖2 輸入輸出電壓轉換電路

2.3 射頻基帶模塊設計方案

射頻基帶一體化模塊包括RNSS單元和RDSS單元。RNSS單元實現北斗二代/GPS無源定位和導航功能。RDSS單元實現有源定位和短報文通信功能[4]。

圖3 RDSS單元原理框圖

RDSS單元包括接收和發射兩個通道，由低噪聲放大器、Transceiver、功率放大器和基帶處理芯片組成。天線接收的衛星信號（F=2.49175GHz）首先進入低噪聲放大器，低噪聲放大器的噪聲系數直接決定系統的噪聲系數。

Transceiver選用單芯片設計，采用的芯片集成了接收通道和發射通道。Transceiver芯片發射通道輸出功率P1dB＞0dBm，因此功率放大器采用三級級聯設計，設計指標為Gain＞40dB，Pout＞40dBm。Transceiver芯片發射通道輸出信號經過一級低通濾波器輸出到SBB5089Z功率管。SBB5089Z功率管（Gain＝20dB，P1dB＝20dBm@1.6GHz）為內匹配設計，不需要輸入輸出匹配，工作于線性區。SPB2026Z（Gain=13dB，P1dB=33dBm）和PD20010（Ga=11dB，Pout=40dBm）都是寬帶功率管，輸入輸出要滿足對1615MHz的放大，必須對1615MHz做特定頻率的輸入輸出匹配。然后經過低通濾波器（IL＝0.3dB）輸出至天線。

基帶處理芯片采用772研究所的BM3005基帶芯片。實現對中頻數字信號的解調處理，并與用戶進行通信；將用戶需發送的信息調制成BPSK信號，同時為發射端提供使能信號。

2.4 主控模塊設計方案

主控模塊采用意法半導體公司的STM32微處理器。STM32系列32位閃存微處理器使用具有突破性的 Cortex-M3內核，該內核專門設計于滿足集高性能、低功耗、實時應用、于一體的嵌入式領域的要求，其CPU頻率最高可達72MHz[5]。其電路原理圖如圖4所示。

圖4 主控模塊原理圖

2.5 信息顯示模塊設計方案

信息顯示模塊采用先進的OLED微型顯示屏幕。有機發光顯示技術由非常薄的有機材料涂層和玻璃基板構成。當有電荷通過時這些有機材料就會發光。OLED具備有構造簡單、自發光不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、使用溫度范圍廣等優點，在商業領域已得到廣泛的應用。

2.6 藍牙通信模塊設計方案

藍牙通信單元采用市場上成熟的貼片式藍牙通信模塊。該藍牙模塊采用CSR雙模藍牙芯片，配合新唐ARM構架單片機，支持AT指令，用戶可根據需要配置串口波特率、設備名稱、配對密碼等參數，使用靈活。SPP傳輸速度較快，BLE傳輸速度較慢，因此在設計產品的時候選取的是下限，即依照BLE的速度來規劃雙模產品。在保證穩定的前提下，盡量提高傳輸速度。藍牙模塊通過TTL232信號線與主控單元鏈接，實現藍牙設備與主控單元之間的數據交互。

圖5 貼片式藍牙模塊

3 系統軟件設計

3.1 軟件總體設計方案

主控模塊是藍牙伴侶的核心部分，它將設備的各個組件以及功能模塊集合在一起，通過主控模塊運行的嵌入式操作系統軟件來協同設備的硬件模塊以及軟件功能模塊共同實現北斗藍牙伴侶的各項功能以及協議要求。對于嵌入式軟件設計，每個與硬件器件相關的功能模塊都必須進行初始化配置，所以在軟件運行進入主循環入口之前增加一個初始化模塊，對所有的硬件進行初始化配置。設備上電后，首先軟件對所有相關芯片外設進行初始化配置，初始化結束后進入軟件的主體循環結構。在軟件主題循環結構中各個主要功能模塊以不同的任務模塊交互循環運行，實現設備整體功能。軟件流程圖如圖6所示：

圖6 軟件總體設計流程圖

其中，TASAK_BD是主控芯片對北斗協議預處理的任務模塊；TASAK_BT是主控芯片與藍牙模塊進行數據交互的任務模塊；TASAK_DISP是主控芯片對OLED顯示屏控制的任務模塊；TASAK_PerCtrl是主控芯片對外圍器件驅動及控制的任務模塊，包括LED燈、串口輸出等。

3.2 軟件初始化功能

嵌入式軟件設計與硬件功能休戚相關，特別是ARM微處理器的自身功能直接決定了整個系統軟件的功能強弱。在初始化函數設計時，首先要對ARM處理器系統時鐘進行初始化，然后再對需要使用的微處理器芯片的IO引腳進行初始化配置，接著配置微處理器的中斷控制，最后配置需要用到的功能總線，如I2C、SPI等。硬件初始化完成后，需要對軟件應用到的一些自定義的緩存空間進行初始化，然后整個軟件系統進入函數主題結構。

ARM芯片初始化的函數主要有：

3.3 軟件主題功能設計

軟件的設計主要是實現主控模塊與其余模塊的數據交互和對外圍器件的驅動控制。其主函數入口如下：

在主函數中，當所有的外設初始化結束后，系統將創建一個起始任務，所有的功能任務將在起始任務中創建。起始任務的功能就是完成各功能模塊任務的創建，任務創建結束，起始任務將被系統掛起，不在參與任務調度。系統資源交由功能任務模塊進行調度。起始任務創建的功能任務主要有：TASK_BD，創建北斗協議數據預處理任務；TASK_BT，創建藍牙模塊數據處理任務；TASK_DISP，創建OLED顯示模塊管理和數據處理任務；TASK_ PerCtrl，創建外圍設備管理和數據處理任務。

鑒于軟件內容的版權保護，各任務模塊的詳細功能代碼不在此做詳細介紹。uCOSII系統通過對各個任務模塊的交互調度，實現主控模塊對各個硬件單元的驅動、控制及數據交互，通過射頻基帶實現與北斗衛星系統的通信，通過藍牙實現與手機APP的數據交互，通過OLED顯示屏實現設備信息狀態及短報文顯示。設備軟件和硬件相匹配，共同實現藍牙伴侶的功能。

4 結束語

北斗藍牙伴侶最主要的功能之一就是能夠實現實時定位，為用戶提供精確的位置信息服務。北斗藍牙伴侶的定位功能實測結果，其定位精度在10m范圍內。長期短報文測試數據顯示，通信成功率達到95%以上。北斗藍牙伴侶是基于中國北斗衛星導航系統研發的，在北斗系統覆蓋范圍內可以進行北斗短報文收發的北斗民用終端。北斗藍牙伴侶與手機APP配合使用，可以實現衛星短信收發、一鍵SOS告警的功能，特別適合喜歡戶外活動人群使用。北斗藍牙伴侶最大的優勢是在沒有手機信號的地方依然可以依靠衛星短信與外界保持聯系，可以隨時隨地的上報自己的位置動態；當在野外遇到困難或危險時，可以使用一鍵SOS告警功能，在第一時間發出帶位置的求救信息，讓救援人員快速了解情況并實施救援，最大限度保障使用者的生命安全。

[1]王立燦.北斗衛星導航系統的現狀及其發展趨勢研究[J].城市建設理論研究,2014.

[2]羅衛兵,胡健生.基于STM32+ucGUI的北斗導航定位系統設計[J].液晶與顯示,2014,29(02).

[3]李喬.基于ARM的北斗/GPS接收機的研究[D].云南:昆明理工大學,2014.

[4]周齊家.基于北斗衛星的車載定位與通信系統設計[D].湖南:湖南大學,2014.

[5]吳海超.基于STM32衛星定位車載終端硬件系統設計[D].四川:電子科技大學,2014.

唐述強（1964—），男，碩士，高級工程師，從事通信導航、無線通信系統設計和技術管理工作。

梁本仁（1982—），男，碩士，工程師，從事通信導航、GNSS高精度測量、無線通信相關的技術研發工作。

王世臣（1987—），男，碩士，工程師，從事通信導航、GNSS高精度測量相關的技術研發工作。

王偉（1986—），男，碩士，工程師，從事通信導航、GNSS高精度測量等硬件設計開發的技術研發工作。