鄭俊華，譚秋林*，秦小龍

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051)

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基于兩路GPS信息接收和切換的無線信標(biāo)機設(shè)計*

鄭俊華1，2，譚秋林1，2*，秦小龍1，2

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051;
2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051)

摘要:通過對目前信標(biāo)機的應(yīng)用范圍及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r進行研究，設(shè)計了一種基于兩路GPS信息接收和切換的無線信標(biāo)機。控制電路采用C8051F040單片機作為主控芯片，控制兩路GPS模塊的切換從而增加無線信標(biāo)機的工作時間，提高定位精度并降低功耗。實驗測得UTC時間為11:37:30，北緯38.013 6°，東經(jīng)112.446°，海拔高度為815.9 m。多次測量結(jié)果表明，該系統(tǒng)能實現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)并將定位信息通過上位機進行顯示。

關(guān)鍵詞:電路與系統(tǒng);信標(biāo)機設(shè)計;無線通信;兩路GPS定位;低功耗

信標(biāo)機是一種裝載在目標(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)機被廣泛應(yīng)用在航空、航天、航海、氣象、手持機、彈載設(shè)備、交通車輛導(dǎo)航中。傳統(tǒng)的目標(biāo)物回收采用人工搜索方式，其費時費力且易造成目標(biāo)丟失。

針對上述問題，本文提出了一種無線信標(biāo)機的設(shè)計方案。系統(tǒng)包含無線信標(biāo)發(fā)射機、地面接收設(shè)備和無人機搜索設(shè)備。采用GPS定位的方式，發(fā)射機在落地過程中發(fā)送實時獲取到的GPS定位信息，并將信號發(fā)送給地面接收設(shè)備和空中的無人機搜索設(shè)備，從而實現(xiàn)對目標(biāo)物體的快速找尋。

1　總體方案設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計方案如下:在目標(biāo)物體下落到一定高度時，高度計給發(fā)射機發(fā)送一個啟動信號，此時信標(biāo)機開始搜星并將定位結(jié)果進行發(fā)送，空中飛行的無人機進行信號搜索并將接收的信息一方面發(fā)送到地面接收網(wǎng)絡(luò)，一方面進行存儲。地面搜索網(wǎng)絡(luò)在預(yù)計區(qū)域內(nèi)進行不同地面的信號搜索并接收無人機發(fā)送的信號。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

信標(biāo)機的硬件設(shè)計框圖如圖2所示。硬件主要由5部分組成:GPS接收模塊，信標(biāo)機控制單元，無線傳輸模塊，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的串口連接從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。CNS50-GPS模塊提供了四個數(shù)據(jù)輸出接口與NMEA和二進制兩種數(shù)據(jù)格式，豐富了設(shè)計的靈活性，我們通過兩路GPS電路的切換從而接收MAX6-Q的NMEA數(shù)據(jù)和CNS50-GPS模塊的二進制數(shù)據(jù)。

當(dāng)需要實驗測試數(shù)據(jù)對比時采用兩路GPS模塊在同一時間工作。當(dāng)需要低功耗時也可以在一定時間點內(nèi)切換每個GPS模塊使其獨立工作。CPLD控制芯片通過與兩路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的串口連接實現(xiàn)兩路GPS數(shù)據(jù)合流的功能使兩路GPS模塊同時工作時對數(shù)據(jù)進行分時接收。單片機通過控制GPS模塊的供電電路并通過I/O口控制CPLD使其關(guān)閉對應(yīng)的通道，實現(xiàn)單個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)機控制單元模塊

考慮到系統(tǒng)的功耗以及GPS數(shù)據(jù)長度和傳輸速率，該模塊采用CYGNAL公司的C8051F040單片機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。單片機控制部分通過串口讀取GPS模塊的信息或者對GPS模塊的數(shù)據(jù)傳輸格式、數(shù)據(jù)更新率等參數(shù)進行更改。該模塊通過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無線傳輸模塊

由于存儲器一般會降落在較偏遠地方，相比采用GPRS等需要基站的通信方式采用直接點對點通信方式具有節(jié)約成本并與操作簡單等優(yōu)點。由于擴頻通信方式具有較強的抗多徑性、抗干擾性、頻譜利用率高和多址通信等優(yōu)點成為現(xiàn)代通信中一種獨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相連進行數(shù)據(jù)傳輸并在無線收發(fā)端，采用擴頻的方式進行通信。

2.4電源供電模塊

由于存儲器的找尋過程需要一段時間為保證在找尋過程中能實時傳送定位信息，需要電池提供長時間的電量。信標(biāo)發(fā)射機作為一個可獨自工作的設(shè)備，對其自帶電源的體積、重量、容量方面有一定的要求。對目前市場上存在的鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鉛酸電池等電池進行各項性能比較發(fā)現(xiàn)鋰離子電池是性能相對較好的電池［6］。所以我們采用鋰電池作為供電電源，可以持續(xù)工作5個小時左右滿足信標(biāo)機的要求。

電源供電部分為整個系統(tǒng)提供能量，但由于各個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，從而滿足不同模塊對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，通過對射頻模塊進行參數(shù)設(shè)計，達到收發(fā)同步。通過單片機對后級電路進行處理，對接收的數(shù)據(jù)進行“串－并口”轉(zhuǎn)換，形成8位格式數(shù)據(jù)并通過串口傳輸?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

本系統(tǒng)中設(shè)計的發(fā)射模塊一方面實現(xiàn)自身的定位另一方面將定位信息發(fā)送給地面接收機和無人搜索機，無人機將接收到的地理信息進行存儲并轉(zhuǎn)發(fā)給地面接收網(wǎng)絡(luò)，地面接收機接收無人機和發(fā)射機的信號，并與他們進行通訊。GPS模塊通過搜索衛(wèi)星實現(xiàn)定位，當(dāng)搜索到3顆以上的衛(wèi)星時表明定位成功［7］，并將定位信息傳送給接收部分，接收部分通過判斷發(fā)射機發(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，接收機對接收到的數(shù)據(jù)進行處理并顯示在上位機上，實現(xiàn)對定位信息的監(jiān)控。當(dāng)持續(xù)很長時間還是搜索不到3顆以上的衛(wèi)星時，發(fā)射機只能向接收網(wǎng)絡(luò)發(fā)送定位未成功信號，此時我們只能通過判斷信號強弱及方向?qū)ふ夷繕?biāo)進行搜索。軟件流程圖如圖5所示。

圖5　軟件流程圖

4　測試結(jié)果與分析

為驗證本文設(shè)計的信標(biāo)機的性能，在校園內(nèi)進行測試并對測量結(jié)果進行分析。對發(fā)射機輸出的信號使用頻譜分析儀在頻域內(nèi)進行測試，測試結(jié)果如圖6所示。從測試結(jié)果得出發(fā)射功率為864 mW。使用上位機顯示軟件U-center對MAX-6Q模塊接收到的數(shù)據(jù)進行顯示，顯示結(jié)果如圖7所示。從圖7可以得到信標(biāo)機的速度，海拔高度，經(jīng)緯度，定位衛(wèi)星數(shù)量，當(dāng)前時間日期等信息?？赏ㄟ^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)前的時間是UTC時間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)射機輸出信號

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

基于兩路GPS信息接收和切換的無線信標(biāo)機，通過兩路GPS的切換不僅提高了定位精度而且降低了功耗。該系統(tǒng)通過單點通訊的方式對信號進行接收與轉(zhuǎn)發(fā)，結(jié)構(gòu)簡單并克服了建立無線接收發(fā)送基站的問題，且成本較低［10］。經(jīng)過實地實驗表明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，GPS數(shù)據(jù)更新率為5 Hz，能夠滿足要求，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻:

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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，研究方向為電路與系統(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，中國微米納米技術(shù)學(xué)會高級會員，國際重要學(xué)術(shù)期刊Sensors and Actuators B、Optics Communications、Sensors的通訊審稿人。研究方向為光學(xué)氣體傳感器及檢測技術(shù)、無線無源微納傳感器及微系統(tǒng)集成技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及射頻技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及存儲技術(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

中圖分類號:TN872

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0863－05

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(60871041)