基于兩路GPS信息接收和切換的無(wú)線(xiàn)信標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì)*

鄭俊華，譚秋林*，秦小龍

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

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基于兩路GPS信息接收和切換的無(wú)線(xiàn)信標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì)*

鄭俊華1，2，譚秋林1，2*，秦小龍1，2

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;
2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

摘要:通過(guò)對(duì)目前信標(biāo)機(jī)的應(yīng)用范圍及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種基于兩路GPS信息接收和切換的無(wú)線(xiàn)信標(biāo)機(jī)?？刂齐娐凡捎肅8051F040單片機(jī)作為主控芯片，控制兩路GPS模塊的切換從而增加無(wú)線(xiàn)信標(biāo)機(jī)的工作時(shí)間，提高定位精度并降低功耗。實(shí)驗(yàn)測(cè)得UTC時(shí)間為11:37:30，北緯38.013 6°，東經(jīng)112.446°，海拔高度為815.9 m。多次測(cè)量結(jié)果表明，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)并將定位信息通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行顯示。

關(guān)鍵詞:電路與系統(tǒng);信標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì);無(wú)線(xiàn)通信;兩路GPS定位;低功耗

信標(biāo)機(jī)是一種裝載在目標(biāo)物體上，能夠發(fā)射自身地理位置信息，如自身經(jīng)緯度、海拔高度等地理位置的電子設(shè)備［1］。因此信標(biāo)機(jī)被廣泛應(yīng)用在航空、航天、航海、氣象、手持機(jī)、彈載設(shè)備、交通車(chē)輛導(dǎo)航中。傳統(tǒng)的目標(biāo)物回收采用人工搜索方式，其費(fèi)時(shí)費(fèi)力且易造成目標(biāo)丟失。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種無(wú)線(xiàn)信標(biāo)機(jī)的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)包含無(wú)線(xiàn)信標(biāo)發(fā)射機(jī)、地面接收設(shè)備和無(wú)人機(jī)搜索設(shè)備。采用GPS定位的方式，發(fā)射機(jī)在落地過(guò)程中發(fā)送實(shí)時(shí)獲取到的GPS定位信息，并將信號(hào)發(fā)送給地面接收設(shè)備和空中的無(wú)人機(jī)搜索設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的快速找尋。

1　總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如下:在目標(biāo)物體下落到一定高度時(shí)，高度計(jì)給發(fā)射機(jī)發(fā)送一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，此時(shí)信標(biāo)機(jī)開(kāi)始搜星并將定位結(jié)果進(jìn)行發(fā)送，空中飛行的無(wú)人機(jī)進(jìn)行信號(hào)搜索并將接收的信息一方面發(fā)送到地面接收網(wǎng)絡(luò)，一方面進(jìn)行存儲(chǔ)。地面搜索網(wǎng)絡(luò)在預(yù)計(jì)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行不同地面的信號(hào)搜索并接收無(wú)人機(jī)發(fā)送的信號(hào)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

信標(biāo)機(jī)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。硬件主要由5部分組成:GPS接收模塊，信標(biāo)機(jī)控制單元，無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，供電部分，接收轉(zhuǎn)發(fā)單元組成。

圖2　硬件電路框圖

2.1GPS接收模塊

在GPS接收模塊中，采用U-BLOX公司的GPS導(dǎo)航模塊MAX-6Q和東方聯(lián)星的CNS50-GPS定位模塊。MAX6-Q模塊的串口直接與單片機(jī)的串口連接從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。CNS50-GPS模塊提供了四個(gè)數(shù)據(jù)輸出接口與NMEA和二進(jìn)制兩種數(shù)據(jù)格式，豐富了設(shè)計(jì)的靈活性，我們通過(guò)兩路GPS電路的切換從而接收MAX6-Q的NMEA數(shù)據(jù)和CNS50-GPS模塊的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

當(dāng)需要實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí)采用兩路GPS模塊在同一時(shí)間工作。當(dāng)需要低功耗時(shí)也可以在一定時(shí)間點(diǎn)內(nèi)切換每個(gè)GPS模塊使其獨(dú)立工作。CPLD控制芯片通過(guò)與兩路GPS模塊連接作為數(shù)據(jù)輸入并采用一路輸出端口與單片機(jī)的串口連接實(shí)現(xiàn)兩路GPS數(shù)據(jù)合流的功能使兩路GPS模塊同時(shí)工作時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分時(shí)接收。單片機(jī)通過(guò)控制GPS模塊的供電電路并通過(guò)I/O口控制CPLD使其關(guān)閉對(duì)應(yīng)的通道，實(shí)現(xiàn)單個(gè)GPS模塊工作的切換。兩路GPS電路如圖3所示。

圖3　兩路GPS電路模塊

2.2信標(biāo)機(jī)控制單元模塊

考慮到系統(tǒng)的功耗以及GPS數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和傳輸速率，該模塊采用CYGNAL公司的C8051F040單片機(jī)作為控制電路的核心器件，其控制GPS模塊的供電部分，靈活切換兩路GPS的工作，從而降低系統(tǒng)的功耗。單片機(jī)控制部分通過(guò)串口讀取GPS模塊的信息或者對(duì)GPS模塊的數(shù)據(jù)傳輸格式、數(shù)據(jù)更新率等參數(shù)進(jìn)行更改。該模塊通過(guò)串口與射頻模塊相連。電路圖如圖4所示。

圖4　控制模塊

2.3無(wú)線(xiàn)傳輸模塊

由于存儲(chǔ)器一般會(huì)降落在較偏遠(yuǎn)地方，相比采用GPRS等需要基站的通信方式采用直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式具有節(jié)約成本并與操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。由于擴(kuò)頻通信方式具有較強(qiáng)的抗多徑性、抗干擾性、頻譜利用率高和多址通信等優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)代通信中一種獨(dú)特的通信方式并被廣泛應(yīng)用在軍事系統(tǒng)與通信網(wǎng)絡(luò)中［5］。所以我們將射頻模塊直接與單片機(jī)相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并在無(wú)線(xiàn)收發(fā)端，采用擴(kuò)頻的方式進(jìn)行通信。

2.4電源供電模塊

由于存儲(chǔ)器的找尋過(guò)程需要一段時(shí)間為保證在找尋過(guò)程中能實(shí)時(shí)傳送定位信息，需要電池提供長(zhǎng)時(shí)間的電量。信標(biāo)發(fā)射機(jī)作為一個(gè)可獨(dú)自工作的設(shè)備，對(duì)其自帶電源的體積、重量、容量方面有一定的要求。對(duì)目前市場(chǎng)上存在的鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鉛酸電池等電池進(jìn)行各項(xiàng)性能比較發(fā)現(xiàn)鋰離子電池是性能相對(duì)較好的電池［6］。所以我們采用鋰電池作為供電電源，可以持續(xù)工作5個(gè)小時(shí)左右滿(mǎn)足信標(biāo)機(jī)的要求。

電源供電部分為整個(gè)系統(tǒng)提供能量，但由于各個(gè)模塊需要的電壓各不相同所以我們需要采用電平轉(zhuǎn)換芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)成3.3 V并增加穩(wěn)壓電路，從而滿(mǎn)足不同模塊對(duì)5 V與3.3 V電壓的需求。

2.5接收與轉(zhuǎn)發(fā)模塊

在信標(biāo)機(jī)的接收部分，我們采用與發(fā)射部分相同的數(shù)傳模塊，通過(guò)對(duì)射頻模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，達(dá)到收發(fā)同步。通過(guò)單片機(jī)對(duì)后級(jí)電路進(jìn)行處理，對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行“串－并口”轉(zhuǎn)換，形成8位格式數(shù)據(jù)并通過(guò)串口傳輸?shù)诫娔X，由串口調(diào)試助手或電腦上的地圖軟件顯示當(dāng)前位置。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的發(fā)射模塊一方面實(shí)現(xiàn)自身的定位另一方面將定位信息發(fā)送給地面接收機(jī)和無(wú)人搜索機(jī)，無(wú)人機(jī)將接收到的地理信息進(jìn)行存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)給地面接收網(wǎng)絡(luò)，地面接收機(jī)接收無(wú)人機(jī)和發(fā)射機(jī)的信號(hào)，并與他們進(jìn)行通訊。GPS模塊通過(guò)搜索衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)定位，當(dāng)搜索到3顆以上的衛(wèi)星時(shí)表明定位成功［7］，并將定位信息傳送給接收部分，接收部分通過(guò)判斷發(fā)射機(jī)發(fā)送的信息中的標(biāo)志位，可以判斷定位是否成功。當(dāng)接收到定位數(shù)據(jù)后，接收機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示在上位機(jī)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)定位信息的監(jiān)控。當(dāng)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間還是搜索不到3顆以上的衛(wèi)星時(shí)，發(fā)射機(jī)只能向接收網(wǎng)絡(luò)發(fā)送定位未成功信號(hào)，此時(shí)我們只能通過(guò)判斷信號(hào)強(qiáng)弱及方向?qū)ふ夷繕?biāo)進(jìn)行搜索。軟件流程圖如圖5所示。

圖5　軟件流程圖

4　測(cè)試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的信標(biāo)機(jī)的性能，在校園內(nèi)進(jìn)行測(cè)試并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析。對(duì)發(fā)射機(jī)輸出的信號(hào)使用頻譜分析儀在頻域內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從測(cè)試結(jié)果得出發(fā)射功率為864 mW。使用上位機(jī)顯示軟件U-center對(duì)MAX-6Q模塊接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，顯示結(jié)果如圖7所示。從圖7可以得到信標(biāo)機(jī)的速度，海拔高度，經(jīng)緯度，定位衛(wèi)星數(shù)量，當(dāng)前時(shí)間日期等信息。可通過(guò)軟件設(shè)置顯示需要的信息NMEA0183［8，9］協(xié)議的MYMGPRMC數(shù)據(jù)格式，顯示結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出當(dāng)前的時(shí)間是UTC時(shí)間11:37:30，北緯38.013 6°，東經(jīng)112.446°，海拔高度為815.9 m。

圖6　發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)

圖7　U-center軟件顯示的位置信息

圖8　需要的定位信息

5　結(jié)束語(yǔ)

基于兩路GPS信息接收和切換的無(wú)線(xiàn)信標(biāo)機(jī)，通過(guò)兩路GPS的切換不僅提高了定位精度而且降低了功耗。該系統(tǒng)通過(guò)單點(diǎn)通訊的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收與轉(zhuǎn)發(fā)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并克服了建立無(wú)線(xiàn)接收發(fā)送基站的問(wèn)題，且成本較低［10］。經(jīng)過(guò)實(shí)地實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，GPS數(shù)據(jù)更新率為5 Hz，能夠滿(mǎn)足要求，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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鄭俊華(1987－)，女，漢族，山西省忻州人，現(xiàn)為中北大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)，1194012665@qq.com;

譚秋林(1979－)，男，湖南衡南人，博士，教授，中北大學(xué)學(xué)術(shù)帶頭人，中國(guó)微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，國(guó)際重要學(xué)術(shù)期刊Sensors and Actuators B、Optics Communications、Sensors的通訊審稿人。研究方向?yàn)楣鈱W(xué)氣體傳感器及檢測(cè)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)無(wú)源微納傳感器及微系統(tǒng)集成技術(shù)、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)及射頻技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)技術(shù)。

The Design of a Simple Digital Control Frequency Characteristic Test Instrument for Digital Control

CHEN Song*，RONG Jun
(Department of Information and Communication Engineering，Hunan Institute of Science and Technology，Yueyang Hunan 414006，China)

Abstract:A simple frequency characteristic test instrument system is designed with STM32F407 as control core，and the system can measure the amplitude frequency characteristics and phase frequency characteristics of two-port network ranging from 1 MHz to 40 MHz.The system uses analog multiplier AD835 and second-order active low-pass filter to get the orthogonal demodulation circuit，and then finishes analogy signal to digital signal conversion by high resolution ADC chip ADS1271.Finally，the amplitude frequency characteristics and phase frequency characteristics of the tested network will be displayed by a displaying module.The system has been tested，and the system can tell the amplitude-versus-frequency curve of the measured network correctly as well as its center frequency and bandwidth of 3 dB，and the accuracy of voltage gain is better than 0.5 dB，phase of that better than 5 degree.

Key words:frequency characteristic test; digital control; zero intermediate frequency orthogonal demodulation; quality factor

doi:EEACC:7210B; 725010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.031

收稿日期:2014－10－20修改日期:2014－11－14

中圖分類(lèi)號(hào):TN872

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015)04－0863－05

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60871041)