史永祥，葉宇煌

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院,福建福州350116)

基于STM 32的北斗短報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計(jì)

史永祥，葉宇煌

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院,福建福州350116)

采用STM 32F103RBT6微處理器和北斗模塊，GPRS模塊，RS-232接口模塊，電源模塊，完成了北斗短報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計(jì)并做出了樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了基本的北斗通信，定位，授時(shí)，而且實(shí)現(xiàn)了北斗短報(bào)文與手機(jī)短信的互發(fā)等功能。該產(chǎn)品安全可靠，操作簡(jiǎn)單明了，實(shí)用性強(qiáng)，并已在試用階段。

北斗短報(bào)文；SIM 900A；STM 32

“北斗”是我國(guó)自主研制的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，是服務(wù)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展和公共安全的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。大力推動(dòng)“北斗”規(guī)模化應(yīng)用，對(duì)于推動(dòng)科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、提高社會(huì)生產(chǎn)效率、改善人民生活質(zhì)量、提升國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力、維護(hù)國(guó)家安全等具有重要的作用?！氨倍贰遍_(kāi)啟了我國(guó)導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)的新紀(jì)元，將進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)地理信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。隨著北斗產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域引進(jìn)了北斗設(shè)備。與GPS設(shè)備相比，北斗的優(yōu)勢(shì)之一就是具備短報(bào)文通信?；诒倍沸l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的短報(bào)文通訊方式，與手機(jī)短信的網(wǎng)絡(luò)是完全分開(kāi)的，因此北斗設(shè)備和手機(jī)端無(wú)法實(shí)現(xiàn)短信互發(fā)。本設(shè)備就是為了實(shí)現(xiàn)兩者的短信互發(fā)而研發(fā)的一款產(chǎn)品。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)設(shè)計(jì)由ARM微處理器STM32F103RBT6，北斗模塊，GPRS模塊，RS-232接口模塊，電源模塊組成。其中，STM32F103RBT6作為主處理器負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)的接收處理和轉(zhuǎn)發(fā)，北斗模塊包含北斗一代和北斗二代模塊和北斗天線，能夠?qū)崿F(xiàn)北斗短報(bào)文，定位和授時(shí)，GPRS模塊負(fù)責(zé)接收和發(fā)送短信，RS-232接口模塊負(fù)責(zé)電平轉(zhuǎn)換使本產(chǎn)品能與電腦端進(jìn)行通信，電源模塊能提供穩(wěn)定的電壓輸入，使外接電源設(shè)備可以有一個(gè)寬松的電壓范圍選擇，保護(hù)電路能夠保證產(chǎn)品的安全可靠性，同時(shí)也起到保護(hù)產(chǎn)品的作用。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1北斗轉(zhuǎn)發(fā)器結(jié)構(gòu)框圖

2　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1微控制器電路設(shè)計(jì)

STM32F103RBT6其具有杰出的功耗控制以及眾多的外設(shè)，更重要的是其性價(jià)比高。配置有128K FLSSH、20K SRAM、2個(gè)SPI、3個(gè)串口、1個(gè)USB、1個(gè)CAN、2個(gè)12位的ADC，RTC、51個(gè)可用IO腳[2]，足夠勝任本設(shè)計(jì)中的主控芯片。

系統(tǒng)的外部時(shí)鐘源從兩個(gè)地方來(lái)提供，分別是PCI4、PCI5端口接32.768kHz的晶振和10pF陶瓷電容構(gòu)成RC振蕩器提供低速外部時(shí)鐘(LSE)，這個(gè)主要為RTC提供時(shí)鐘源。OSC_IN和OSC_OUT端口接8MHZ的晶振和22pF陶瓷電容構(gòu)成RC振蕩器提供高速外部時(shí)鐘(HSE)，這個(gè)主要是為IO口提供時(shí)鐘源。

在STM32F10系列中，3種不同的啟動(dòng)模式可以選擇通過(guò)BOOT[1:0]引腳，如表1所示。

表1 BOOT的引腳配置

如果想讓STM32一按復(fù)位鍵就開(kāi)始跑代碼，則需要配置BOOT0為0，BOOT1隨便設(shè)置都可以。而且因?yàn)榘迳鲜褂肧WD模式燒寫(xiě)程序，所以可以不用更改BOOT配置就能達(dá)到下載程序的目的，BOOT1和BOOT0各接100K電阻到地。SWD只需要最少2根線（SWCLK和SWDIO）就可以下載并調(diào)試代碼了，這同使用串口下載代碼差不多，而且速度更快，能調(diào)試，這為PCB板節(jié)約了不少空間。

2.2北斗模塊電路設(shè)計(jì)

北斗模塊負(fù)責(zé)北斗信號(hào)的發(fā)送和接收，其中包括了北斗一代模塊，北斗二代模塊和北斗三頻點(diǎn)天線。FB3511模塊是福大北斗自主研發(fā)的北斗核心模塊，該模塊集成了RDSS射頻收發(fā)芯片、功放芯片、基帶電路等。模塊可選內(nèi)置RNSS&GPS模塊，可以實(shí)現(xiàn)RDSS&GPS&RNSS同時(shí)工作。該模塊集成度高、功耗低、兼容接收RDSS、RNSS/GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)載體的實(shí)時(shí)高精度定位、測(cè)速等，非常適應(yīng)于系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的需求。FB0504天線是福大北斗自主研發(fā)的北斗天線，體積小，性能好，性價(jià)比高。使用FB3511模塊+FB0504天線的組合能夠?qū)崿F(xiàn)北斗一代模塊的收發(fā)和北斗二代模塊的定位，而且整體性能優(yōu)良，通信成功率高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用北斗RDSS系統(tǒng)3類(lèi)非加密用戶卡，該類(lèi)卡最快每分鐘傳送一次短報(bào)文，報(bào)文長(zhǎng)度為78.5B[3]。

圖2 STM32F103RBT6電路設(shè)計(jì)

DF9-25P-1V插座用于板上與福大北斗FB3511模塊相連，共有25腳，這個(gè)嚙合區(qū)設(shè)計(jì)成梯形結(jié)構(gòu)，盡管微型尺寸，但能完美地防止誤插。簡(jiǎn)單的鎖定結(jié)構(gòu)，保證插入和拔取的質(zhì)量以及插入/拔出的手感。接頭的部分避免了材料表面的直接接觸，并提供了一個(gè)平滑的插入和使用感覺(jué)[4]。下面是模塊引腳的定義：

（1）串口：RXD0，TXD0，RXD1，TXD1。串口分為兩組，一組為北斗一代通信串口，一組為北斗二代通信串口，因?yàn)楸倍芬淮投臄?shù)據(jù)格式不一樣，所以分開(kāi)兩路便于識(shí)別和數(shù)據(jù)處理。3.3VTTL電平，默認(rèn)波特率為115200。

（2）SIM卡接口：IC_SRST，IC_SD，IC_SCLK。FB3511模塊自帶卡槽，因此板上可以不用放置SIM卡槽。

（3）電源地接口：12V直流電壓的5個(gè)引腳，5V直流電壓的4個(gè)引腳，地線的7個(gè)引腳。

本設(shè)計(jì)北斗射頻模塊的PA供電要求在11V～13.6V之間，發(fā)射瞬間電流達(dá)到2.5 A，考慮到DF9每個(gè)引腳的額定電流為0.5A，故使用5個(gè)引腳作并聯(lián)以提供足夠大的電流。

（4）2個(gè)1PPS引腳。1PPS是秒脈沖引腳，外接LED燈可以檢查芯片是否工作正常。

2.3 GPRS模塊設(shè)計(jì)電路

GPRS模塊采用SIM900A模塊[5]，該模塊可以實(shí)現(xiàn)打電話，收發(fā)短信，GPRS數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)透?jìng)鞯裙δ?，在本設(shè)計(jì)中只使用收發(fā)短信功能，但是手機(jī)SIM卡還是要配備的。本模塊供電范圍3.7～4.2V，采用5V串聯(lián)1N4007二極管組合供電，串口為L(zhǎng)VTTL電平。引腳定義如圖4，只用到VCC、GND、TXD、RXD 4個(gè)引腳，其余放空。

2.4電源電路設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品所需的電源有：北斗射頻模塊的PA供電要求在11～13.6V之間，發(fā)射瞬間電流達(dá)到2.5A，約300ms；北斗模塊接收電路，SIM900A模塊需要5V供電，所需電流幾百毫安；STM32微控制器，MAX3232模塊，LED燈需要3.3V供電，所需電流很小。

TPS5450是一款DC-DC降壓高輸出電流PWM變換器，它集成了低阻抗的N溝道MOS管，是高性能電壓誤差放大器,在瞬態(tài)條件下提供了緊密的電壓調(diào)節(jié)精度。它有很寬的輸入電壓范圍，從5.5～36V都沒(méi)問(wèn)題，在輸出12 V的時(shí)候有5 A的待載能力。因此應(yīng)用到降壓12 V沒(méi)有問(wèn)題，當(dāng)然應(yīng)用在降壓5V上是措措有余。考慮到PA發(fā)射時(shí)12 V電路的不穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)采用并聯(lián)的方式將12和5 V DCDC電路分開(kāi)來(lái)，避免影響到5 V電路的不穩(wěn)定性。

TPS79333芯片是LDO3.3 V穩(wěn)壓芯片，比起其他DCDC-3.3 V，紋波抑制更好，外圍電路更簡(jiǎn)單，更適合給芯片供電。

圖3 FDBD3511模塊引腳圖

圖4 GPRS模塊引腳圖

圖5電源電路設(shè)計(jì)

3　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)用到了STM32F103RBT6全部的串口，共3個(gè)，其設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖所示。外設(shè)，例如電腦，通過(guò)DB9串口與本設(shè)備硬件連接，經(jīng)RS-232電平轉(zhuǎn)換，與串口3相連。串口3收到數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)呈給CPU，CPU會(huì)對(duì)報(bào)頭進(jìn)行判斷，是否為正確的一代指令或二代指令。對(duì)不符合報(bào)頭的指令進(jìn)行舍棄，對(duì)于正確的指令，CPU會(huì)根據(jù)報(bào)頭，如果是一代指令，會(huì)把數(shù)據(jù)傳給串口1進(jìn)而發(fā)給北斗一代模塊進(jìn)行相應(yīng)的操作；如果是二代指令，會(huì)把數(shù)據(jù)傳給串口2進(jìn)而發(fā)給北斗二代模塊進(jìn)行相應(yīng)操作。反之就是整個(gè)數(shù)據(jù)流向的逆過(guò)程。如果是北斗一代和北斗二代數(shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)，CPU會(huì)對(duì)其進(jìn)行管理，只有傳遞完一條完整的報(bào)文后才會(huì)允許有數(shù)據(jù)的穿插，如圖6。

圖6系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

北斗一代短報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)器的PC端軟件主界面如圖7，頁(yè)面左側(cè)區(qū)域?yàn)橄到y(tǒng)操作北斗設(shè)備，頁(yè)面右上側(cè)為短信模塊相關(guān)功能，頁(yè)面下側(cè)為顯示區(qū)域，中間區(qū)域?yàn)樽远x的指揮機(jī)菜單。

圖7北斗一代短報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)器的PC端軟件主界面

使用集采測(cè)試軟件或者其他相應(yīng)的軟件給轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)發(fā)送短報(bào)文，發(fā)送方式為混發(fā)，接收卡號(hào)為本系統(tǒng)搭載北斗設(shè)備安裝的北斗SIM卡卡號(hào)。報(bào)文內(nèi)容格式為：@手機(jī)號(hào)@短信內(nèi)容。本軟件系統(tǒng)在接收到正確的報(bào)文數(shù)據(jù)后會(huì)將該信息轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)的手機(jī)上。手機(jī)給本轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)短信模塊所帶的手機(jī)SIM卡發(fā)送短信，短信格式為：@北斗卡號(hào)@短信內(nèi)容，本轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)接收到手機(jī)信息后，自動(dòng)將短信轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)應(yīng)卡號(hào)的北斗終端。轉(zhuǎn)發(fā)給北斗終端的速度取決于轉(zhuǎn)發(fā)器套件中使用的北斗SIM卡的通信頻度，如果同時(shí)收到多條轉(zhuǎn)發(fā)北斗的短信，那么這些短信需通過(guò)排隊(duì)的方式，根據(jù)用戶卡的頻度要求，逐一發(fā)送出去。

4　結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用STM32F103RBT6微處理器和北斗模塊，GPRS模塊，RS-232接口模塊，電源模塊組成，完成了北斗一代北斗轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計(jì)并做出了樣品，實(shí)現(xiàn)了基本的北斗通信，定位，授時(shí)，而且實(shí)現(xiàn)了北斗短報(bào)文與手機(jī)短信的互發(fā)等功能，達(dá)到了預(yù)計(jì)的目的。該產(chǎn)品可靠性高，使用簡(jiǎn)單方便，具有一定的創(chuàng)造性和實(shí)用性，值得深入研究與推廣。

［1］中國(guó)的“天眼”——北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［J］.軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2012（5）：12－16．

［2］ST Company．AN 2586 Application note［DB／OL］．http://www.st.com/st-web-ui/static/active/cn/resource/technical/ document/application_note/CD00164185.pdf[2015-1-7]

［3］姚作新．基于北斗衛(wèi)星短信通信方式的無(wú)人值守自動(dòng)氣象站網(wǎng)［J］．氣象科技，2012，40（3）：340－344．

［4］HRSCompany．1mm Pitch SMT b oard to b oard c onnector（Standard i nterface c onnector c ompliant with VESA FPDI－1）［DB／OL］．http://www.icpdf.com/HRS_datasheet/DF9C-9P-1V_pdf_575310/[2015-03-06]

［5］潘朝，黃佳，李平，等．基于GSM短信的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．電子測(cè)量技術(shù)，2013，36（6）：121-124．

（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Design of Transponder of BeidouSatellite SMS Based on STM 32

SHIYong-xiang,YE Yu-huang
(College of Physics and Information Engineering,FuzhouUniversity,Fuzhou 350116,China)

The STM 32F103RBT6m icroprocessor and compassmodule,GPRSmodule,RS-232 interfacemodule,powermodule are used to complete the design of transponder of Beidou Satellite SMS,and a prototype ismade.It implements Beidou communication,positioning,timing,what’smore,the Beidou shortmessage and mobile phone textmessages succeed to send each other.The product is safe,reliableand practical,operatessimply,and is currently in the trial stage.

Beidou Satellite SMS；SIM 900A；STM 32

TN 927.22

A

1673-4343（2015）06-0065-05

10．14098／j．cn35－1288／z．2015．06．014

2015-09-08

史永祥，男，福建泉州人，碩士研究生。主要研究方向：通信信息與系統(tǒng)。通訊作者：葉宇煌，男，福建福安人，副教授。主要研究方向：微波通信研究。