于鐵軍,劉文怡,王紅亮

(中北大學電子測試技術國防重點實驗室,太原 030051)

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GPS信標機系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)*

于鐵軍,劉文怡,王紅亮*

(中北大學電子測試技術國防重點實驗室,太原 030051)

摘要:介紹一種利用GPS定位,實現(xiàn)對目標無線定位任務的GPS信標機系統(tǒng)。采用在待測目標上放置信號發(fā)送裝置,在地面或者其他位置放置信號接收裝置,接收裝置接收發(fā)送裝置發(fā)送的定位信息,實現(xiàn)定位的目的。經實驗得出,信號發(fā)送裝置的定位信息:經度111°44.72018′,緯度39°04.18254′,海拔高度1 412 m;信號接收裝置的定位信息:經度111°44.73089′,緯度39°04.16502′,海拔高度1 333 m。結果表明,能準確定位待測目標和接收裝置的定位信息(包括時間、經度、緯度和海拔高度等),是一種很好的無線定位信標機系統(tǒng)。

關鍵詞:電路設計;無線通信;信標機;GPS定位;單片機

目前,信標機發(fā)展分2個方向:(1)趨于大功率、大體積應用于船舶定位的信標機;(2)趨于小功率、小體積應用于小型物體定位的信標機[1]。在軍事領域,每種導彈的設計,需要進行數(shù)次實驗,通過在導彈彈體上綁定記錄器,記錄導彈在飛行時的狀態(tài),查看記錄器回傳的數(shù)據(jù),完成對導彈的測試和改進[2]。但是每次記錄器的回收,都浪費大量的人力和財力。針對記錄器的回收問題,本文介紹了一種小功率、小體積GPS信標機。首先介紹系統(tǒng)的主要組成部分和工作流程,然后通過硬件方面說明系統(tǒng)的基本來構造,再從軟件方面說明系統(tǒng)的設計方法,最后通過無人機搭載測試,證明設計的GPS信標機結果可靠,可在實際中應用。

1　系統(tǒng)整體框圖

無線GPS信標機系統(tǒng)主要由信號發(fā)送裝置和信號接收裝置組成。信號發(fā)送裝置由GPS接收模塊、數(shù)據(jù)選通模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和電源模塊組成。信號接收裝置由信號接收裝置、GPS接收模塊、數(shù)據(jù)選通模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、USB通信模塊和電源模塊組成。如圖1所示。

系統(tǒng)工作流程:信號發(fā)送裝置的GPS接收模塊接收衛(wèi)星發(fā)射的GPS原始數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)選通模塊接收GPS原始數(shù)據(jù),然后將GPS原始數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊,數(shù)據(jù)處理模塊從GPS原始數(shù)據(jù)解析出時間、經度、緯度和海拔高度信息并且編幀,通過信號發(fā)送裝置將數(shù)據(jù)發(fā)送,通過射頻無線網絡傳輸;信號接收裝置接收信號發(fā)送裝置發(fā)送的數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)選通模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊,信號接收裝置自身的GPS接收模塊接收本機的GPS原始數(shù)據(jù)同樣通過數(shù)據(jù)選通模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊,數(shù)據(jù)處理模塊將GPS原始數(shù)據(jù)中的時間、經度、緯度和海拔高度信息提取并與GPS發(fā)送裝置發(fā)送的定位信息編輯成一幀,通過USB通信模塊發(fā)送到上位機中。上位機對定位信息進行實時顯示。如圖1所示。

圖1　無線GPS定位系統(tǒng)整體框圖

2　硬件電路設計

2.1信號發(fā)送裝置硬件電路設計

GPS電路分為以下5部分:GPS接收模塊、數(shù)據(jù)選通模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和電源模塊。

2.1.1GPS接收模塊

圖2　GPS接收模塊

GPS接收模塊分為數(shù)據(jù)接收部分和數(shù)據(jù)處理部分[3]。數(shù)據(jù)接收部分由天線、調理電路和解調電路組成;數(shù)據(jù)處理部分由數(shù)據(jù)解析電路組成。衛(wèi)星發(fā)射頻率有1 575.42 MHz的L1波段和1 227.60 MHz的L2波段2種頻率[4]。本系統(tǒng)接收L1波段的GPS數(shù)據(jù),通過調理電路對數(shù)據(jù)進行處理,調理后的GPS信號通過解調電路進行相位解調,得出導電電文。數(shù)據(jù)解析電路從導電電文中,解析出定位信息。通過串口將定位信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)選通電路。如圖2所示。

2.1.2數(shù)據(jù)選通模塊

數(shù)據(jù)選通模塊由CPLD芯片及其外圍電路組成。CPLD采用XILINX公司的型號為XCR3128芯片,有100個管腳,滿足本系統(tǒng)使用。數(shù)據(jù)選通模塊負責對GPS進行選通。如果不需要接收GPS數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)選通模塊關閉數(shù)據(jù)處理模塊和GPS接收模塊的連接。由于CPLD內部容量很小,不能完成數(shù)據(jù)的存儲和處理。從功能上看,由于單片機只有2個串口,出現(xiàn)串口不夠用的問題,因此使用CPLD作為數(shù)據(jù)選通,防止發(fā)生數(shù)據(jù)阻塞。

2.1.3數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊由一片單片機及其外圍電路組成。單片機采用型號為C8051F040芯片,有2個串口,可使用頻率為22.118 4 MHz[5-6](由于22.118 4 MHz是GPS模塊傳輸頻率(9 600 Hz和115 200 Hz)的整數(shù)倍,計算準確)。單片機主要功能為:接收數(shù)據(jù)并且判斷接收數(shù)據(jù)是否有效;解析數(shù)據(jù),從GPS數(shù)據(jù)中解析出時間、經度、緯度等信息;控制GPS接收模塊的輸出頻率,滿足上位機的需要。此模塊是信號發(fā)送裝置的核心。

2.1.4無線發(fā)送模塊

圖3　FSK調制原理圖

無線發(fā)送模塊采用無線數(shù)字傳輸電臺。該模塊有操作簡單、傳輸距離遠、體積較小、功耗低等優(yōu)點[7]。該模塊主要接口為串口收發(fā)接口、下載固件所用的相關接口和電源接口。無線傳輸需要將單片機RX0和TX0引腳接到無線傳輸模塊的發(fā)送和接口端即可完成通信,不需要其他的操作,使用方便;而且傳輸距離遠,理想狀態(tài)下,傳輸距離為64 km;實際測試,在非?？諘绲沫h(huán)境下,距離40 km,不會出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的情況,接收數(shù)據(jù)良好,當距離大于45 km時,接收數(shù)據(jù)斷斷續(xù)續(xù),會出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)情況。該模塊體積較小,只有一塊手機電池大小;功耗低,發(fā)送數(shù)據(jù)時,最大功率為1 W,休眠狀態(tài),功率為100 mW～150 mW,由于信號發(fā)送裝置是移動電源供電,功耗低,可以保證發(fā)送模塊長時間連續(xù)工作。該模塊分為3個部分:控制部分、數(shù)據(jù)發(fā)送部分和數(shù)據(jù)接收部分。無線數(shù)字傳輸電臺采用FSK(頻移鍵控)調制方式,如圖3所示?？刂撇糠种饕a生0或者1的數(shù)字信號,通過控制數(shù)據(jù)發(fā)送的開關s(t),輸出不同頻率的載波(f1和f2)。完成調制[8]。調制波形示例,如圖4所示。

圖4　FSK調制波形示例

2.2信號發(fā)送裝置硬件電路設計

信號接收裝置由以下6個部分GPS定位模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)選通模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、USB通信模塊和電源模塊。

2.2.1GPS定位模塊

在接收裝置中,GPS定位模塊主要負責接收裝置的定位。并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)選通模塊。其基本結構和發(fā)送裝置中的GPS定位模塊一樣。

2.2.2數(shù)據(jù)接收模塊

數(shù)據(jù)接收模塊接收數(shù)據(jù)主要接收發(fā)送裝置發(fā)送的定位信息,將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PLD中。發(fā)送模塊采用FSK方式調制,也采用相應的方式解調,FSK接收部分接收原理:接收的信號首先通過帶通濾波器,選擇符合要求的頻率信號,再通過包絡檢波器,將載波分離出來,最后通過抽樣判決器,得出二進制數(shù)[9]。如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)接收原理圖

2.2.3數(shù)據(jù)選通模塊

在接收模塊中,數(shù)據(jù)選通模塊主要任務:是數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的橋梁;數(shù)據(jù)處理模塊通過數(shù)據(jù)選通模塊與USB接口模塊連接。其硬件電路和發(fā)送裝置的數(shù)據(jù)選通模塊一樣。

2.2.4數(shù)據(jù)處理模塊

接收模塊的數(shù)據(jù)處理模塊硬件電路與發(fā)送模塊的數(shù)據(jù)處理模塊基本一樣。其主要功能為有:①接收本機GPS數(shù)據(jù),解析其中的時間、經度、緯度和海拔高度;②接收發(fā)送裝置發(fā)送的定位信息,并且解析其中的時間、經度、緯度和海拔高度;③將解析出的數(shù)據(jù)打包,加上幀頭和幀計數(shù),并且通過USB通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C中。

2.2.5USB通信模塊

USB通信模塊并沒有和單片機直接相連,該模塊通過與數(shù)據(jù)選通模塊完成上位機和接收裝置的單片機通信。該模塊采用芯片型號為FAT245,可以把并行數(shù)據(jù)轉換為USB數(shù)據(jù),完成上位機和接收模塊通信的目的,采用USB供電節(jié)省接收裝置中的電量消耗,出廠時FAT245內部已經下載固件程序,在上位機安裝相應的驅動,即可完成上位機和接收裝置的通信。

3　軟件設計

軟件設計分為3個部分:信號發(fā)送裝置程序設計、信號接收裝置程序設計、上位機程序設計。

3.1信號發(fā)送裝置程序設計

由于數(shù)據(jù)處理模塊是信號發(fā)送裝置的核心,因此主要說明數(shù)據(jù)處理模塊的程序,其具體的任務:初始化整個接收裝置,選通GPS數(shù)據(jù),接收GPS傳輸?shù)亩ㄎ恍畔?解析出時間、經度、緯度和海拔高度,將數(shù)據(jù)打包,通過數(shù)據(jù)發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。如果接收到接收裝置發(fā)送的數(shù)據(jù),將按其數(shù)據(jù)完成具體的任務,例如關閉GPS接收數(shù)據(jù)、改變GPS輸出頻率等。

具體流程如下:如圖6所示,初始化接收裝置,控制CPLD選通GPS定位模塊接口,接收GPS數(shù)據(jù)。判斷GPS幀頭,接收數(shù)據(jù),從定位信息中解析出時間、經度、緯度、海拔高度,并判斷數(shù)據(jù)是否有效。如果接收數(shù)據(jù)無效、清空數(shù)據(jù)緩存,重新接受并判斷數(shù)據(jù)是否有效。如果數(shù)據(jù)有效,打包數(shù)據(jù),并與接收模塊進行通信,發(fā)送打包的數(shù)據(jù),查看并處理接收裝置命令。重新開始或者結束發(fā)送。

圖6　信號發(fā)送裝置程序流程圖

3.2信號接收裝置程序設計

接收裝置控制模塊采用查詢方式,通過訪問各個通信接口的標志位,完成各個模塊之間的通信,基本任務和接收裝置差不多。

具體流程為:開始運行,并初始化。定義接收標志位flag,如果flag為1時,可以接收數(shù)據(jù);如果flag為0時,不可以接收數(shù)據(jù)。查詢串口0是否有數(shù)據(jù),如果有,接收標志位flag為0,接收數(shù)據(jù),通過USB接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機中,發(fā)送完成,將接收標志位flag改為1。如果沒有,將判斷串口1是否有數(shù)據(jù),如果有,判斷是否為幀頭,如果不是,返回到串口1,如果為幀頭,解析數(shù)據(jù),判斷數(shù)據(jù)是否有效,如果無效返回到串口1,如果有效,通過USB接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機中。如果串口1沒有數(shù)據(jù),判斷并口是否有數(shù)據(jù),如果有接收指令,并且處理指令,如果否,返回到串口0或者結束。如圖7所示。

圖7　信號接收裝置程序流程圖

3.3上位機程序設計

利用VB軟件,編寫上位機軟件。利用實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、查看、回放數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。如圖8所示,第1欄為菜單欄,分別為連接設備。開始接受、停止接收、發(fā)送數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)回放和退出。界面的左面為高度曲線和地圖;右面為定位信息和操作信息。

圖8　上位機界面

4　實驗測試

將信號發(fā)送裝置掛載到某無人機上,信號接收裝置放在地面,并與上位機相連,完成實現(xiàn)檢測的目的。

測試1:測試條件:發(fā)送裝置接收數(shù)據(jù)無效,接收裝置接收本機定位信息有效。

預測結果:GPS數(shù)據(jù)(發(fā)送裝置)無信息顯示,GPS數(shù)據(jù)(接收裝置)有數(shù)據(jù)顯示,并且在高度曲線中,只有紅線。

如圖9所示,天上無定位到有效數(shù)據(jù)的結果,圖的左邊為高度曲線和地圖,右邊為天上定位信息和地面定位信息測試結果。當信號發(fā)送裝置接收到GPS數(shù)據(jù)無效時,天上的定位信息和高度均無顯示,在地圖上不能看到定位信息的坐。信號接收裝置接收到有效數(shù)據(jù),定位出信號接收裝置的位置,其經度為111°44.734 36′,緯度為39°04.116 76′,海拔高度為1 335 m。結果與預期一樣。

圖9　測試1結果

測試2:測試條件:發(fā)送裝置接收數(shù)據(jù)有效,接收裝置接收本機定位信息有效。

預測結果:GPS數(shù)據(jù)(發(fā)送裝置)有信息顯示,GPS數(shù)據(jù)(接收裝置)有信息顯示,并且在高度曲線中,既有紅線,又有藍線。

如圖10所示,天上定位到有效數(shù)據(jù)的結果,圖左面,地圖找到相應的位置,地面與天上有相應的高度差,右面顯示信號發(fā)送裝置的定位信息,定位狀態(tài)有效,經度為111°44.720 18′,緯度為39°04.182 54′,海拔高度為1 412 m;信號接收裝置的定位信息為:經度為111°44.730 89′,緯度為39°04.165 02′,海拔高度為1 333 m。此時為無人機起飛狀態(tài)。結果與預期一樣。

圖10　測試2結果

測試結果可以看出,本系統(tǒng)完全可以定位信號接收裝置和信號發(fā)送裝置。當信號發(fā)送裝置無效時,不能接收數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)有效時,數(shù)據(jù)能接收并且顯示。

4　結論

本文針對記錄器的回收問題,設計了一種小功率、小體積的GPS信標機,GPS信標機分為信號發(fā)送裝置和信號接收裝置,通過接收裝置接收發(fā)送裝置發(fā)送的數(shù)據(jù),實現(xiàn)待測物體的定位,并通過上位機軟件分析出接收裝置和發(fā)送裝置之間的位置情況,通過實驗測試,完成了定位的目的,本設計有很好的實用性。

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于鐵軍(1987-),男,漢族,內蒙古開魯縣人,中北大學碩士生,研究領域為測試計量技術及儀器,80900942@qq.com;

劉文怡(1970-),男,漢族,山西臨汾人,中北大學教授,研究領域為測試計量技術及儀器,136555872@qq.com;

王紅亮(1978-),男,漢族,河南南陽人,中北大學博士,副教授,研究領域為測試計量技術及儀器,80845007@qq.com。

DesignandAccomplishofaGPSBeaconing*

YUTiejun,LIUWenyi,WANGHongliang*

(Nation Defense Science and Technology Laboratory of Electronic Testing Technology,The University of China,Taiyuan 030051,China)

Abstract:A GPS Beaconing is introducted,which make use of GPS to realize positions to target wireless.It is adop-tion that signal sending device is installed on the located device,and signal receiving device is placed on the ground.Signal receiving device receives the messages of realizing positions which sends out from signal sending device to realize position.Through the experiment,the positioning information of signal sending device:longitude 111°44.72018′,latitude39°4.18254′,altitude 1 412 m;positioning information of signal receiving device:longitude 111°44.73089′,latitude 39°4.16502′,altitude 1 333 m.Pass an experiment the result can see that the messages of realizing positions(included longitude,latitude and height above sea level and so on)on target and receiver are accurate.It is a well beacon system of wireless location.

Key words:circuit design;wireless communications;beaconing;GPS;MCU

doi:EEACC:6250F10.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.024

中圖分類號:TP274.2

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0690-05

收稿日期:2013-08-20修改日期:2013-09-12

項目來源:航天某院預研型項目