安徽四創(chuàng)電子股份公司 唐述強(qiáng) 梁本仁 王 偉 王世臣

基于藍(lán)牙技術(shù)的北斗手機(jī)伴侶的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

安徽四創(chuàng)電子股份公司 唐述強(qiáng) 梁本仁 王 偉 王世臣

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有授時、定位、導(dǎo)航、短報文通信等特點(diǎn)。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(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)手機(jī)與北斗模塊通信的便攜式終端。系統(tǒng)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(lán)牙通信模塊，實(shí)現(xiàn)終端與手機(jī)的無線互聯(lián)，從而解決了北斗終端系統(tǒng)攜帶不便的問題。

北斗導(dǎo)航；手機(jī)伴侶；衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)；藍(lán)牙

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（簡稱北斗）是我國獨(dú)立自主研制的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其全天候、低成本的優(yōu)點(diǎn)，是的北斗導(dǎo)航技術(shù)在軍民多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)授時和定位導(dǎo)航，其特點(diǎn)是具有短報文通信功能，使得終端用戶可以在衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)進(jìn)行雙向通信，這是我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所獨(dú)有的創(chuàng)新性功能。本文提出的基于藍(lán)牙技術(shù)的北斗手機(jī)伴侶終端是在北斗應(yīng)用市場的一個積極嘗試。

1 系統(tǒng)介紹

北斗藍(lán)牙伴侶是一款支持北斗二號RDSS的S、L頻點(diǎn)、RNSS的B1頻點(diǎn)及GPS的L1頻點(diǎn)，集RDSS的雙向定位、短報文通信、SOS以及RNSS的定位導(dǎo)航功于一體的多功能衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端。終端通過藍(lán)牙與手機(jī)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(wěn)定性的衛(wèi)星通信定位網(wǎng)絡(luò)，適于野外探險、緊急救援等行業(yè)，加之北斗資費(fèi)低廉且可實(shí)現(xiàn)定位監(jiān)控組網(wǎng)，相比傳統(tǒng)衛(wèi)星電話更具特色。產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)小巧、便攜，同時具有手機(jī)充電寶功能，必要時可為手機(jī)提供外部電源供電，延長手機(jī)的續(xù)航能力。北斗藍(lán)牙伴侶打破了傳統(tǒng)北斗通信終端大、重、續(xù)航不足的劣勢，堪稱北斗業(yè)界具有革命性的產(chǎn)品。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件整體設(shè)計方案

北斗藍(lán)牙伴侶硬件設(shè)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(shè)備信息顯示模塊；6)藍(lán)牙通信模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

電源模塊主要實(shí)現(xiàn)電源的穩(wěn)壓和升降壓變換，以及電源充放電管理，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的充電寶功能[3]。射頻天線模塊主要實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星信號的對接，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號的接受和發(fā)送；射頻基帶處理模塊主要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星射頻信號與中頻信號的轉(zhuǎn)換，以及中頻信號的解調(diào)處理。主控模塊是整個設(shè)備的核心控制單元，采用ARM微處理器，實(shí)現(xiàn)對北斗協(xié)議數(shù)據(jù)的預(yù)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(chǎn)品各種狀態(tài)信息及北斗短報文進(jìn)行顯示。藍(lán)牙通信模塊采用貼片式藍(lán)牙模塊設(shè)計，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品與手機(jī)設(shè)備的無線互聯(lián)及數(shù)據(jù)交互。

圖1 硬件模塊組成框圖

2.2 電源模塊設(shè)計方案

設(shè)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(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換電路

2.3 射頻基帶模塊設(shè)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(shí)現(xiàn)北斗二代/GPS無源定位和導(dǎo)航功能。RDSS單元實(shí)現(xiàn)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(fā)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(wèi)星信號（F=2.49175GHz）首先進(jìn)入低噪聲放大器，低噪聲放大器的噪聲系數(shù)直接決定系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。

Transceiver選用單芯片設(shè)計，采用的芯片集成了接收通道和發(fā)射通道。Transceiver芯片發(fā)射通道輸出功率P1dB＞0dBm，因此功率放大器采用三級級聯(lián)設(shè)計，設(shè)計指標(biāo)為Gain＞40dB，Pout＞40dBm。Transceiver芯片發(fā)射通道輸出信號經(jīng)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(nèi)匹配設(shè)計，不需要輸入輸出匹配，工作于線性區(qū)。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(jīng)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(shí)現(xiàn)對中頻數(shù)字信號的解調(diào)處理，并與用戶進(jìn)行通信；將用戶需發(fā)送的信息調(diào)制成BPSK信號，同時為發(fā)射端提供使能信號。

2.4 主控模塊設(shè)計方案

主控模塊采用意法半導(dǎo)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(nèi)核，該內(nèi)核專門設(shè)計于滿足集高性能、低功耗、實(shí)時應(yīng)用、于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求，其CPU頻率最高可達(dá)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(shè)計方案

信息顯示模塊采用先進(jìn)的OLED微型顯示屏幕。有機(jī)發(fā)光顯示技術(shù)由非常薄的有機(jī)材料涂層和玻璃基板構(gòu)成。當(dāng)有電荷通過時這些有機(jī)材料就會發(fā)光。OLED具備有構(gòu)造簡單、自發(fā)光不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、使用溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在商業(yè)領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。

2.6 藍(lán)牙通信模塊設(shè)計方案

藍(lán)牙通信單元采用市場上成熟的貼片式藍(lán)牙通信模塊。該藍(lán)牙模塊采用CSR雙模藍(lán)牙芯片，配合新唐ARM構(gòu)架單片機(jī)，支持AT指令，用戶可根據(jù)需要配置串口波特率、設(shè)備名稱、配對密碼等參數(shù)，使用靈活。SPP傳輸速度較快，BLE傳輸速度較慢，因此在設(shè)計產(chǎn)品的時候選取的是下限，即依照BLE的速度來規(guī)劃雙模產(chǎn)品。在保證穩(wěn)定的前提下，盡量提高傳輸速度。藍(lán)牙模塊通過TTL232信號線與主控單元鏈接，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備與主控單元之間的數(shù)據(jù)交互。

圖5 貼片式藍(lán)牙模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件總體設(shè)計方案

主控模塊是藍(lán)牙伴侶的核心部分，它將設(shè)備的各個組件以及功能模塊集合在一起，通過主控模塊運(yùn)行的嵌入式操作系統(tǒng)軟件來協(xié)同設(shè)備的硬件模塊以及軟件功能模塊共同實(shí)現(xiàn)北斗藍(lán)牙伴侶的各項(xiàng)功能以及協(xié)議要求。對于嵌入式軟件設(shè)計，每個與硬件器件相關(guān)的功能模塊都必須進(jìn)行初始化配置，所以在軟件運(yùn)行進(jìn)入主循環(huán)入口之前增加一個初始化模塊，對所有的硬件進(jìn)行初始化配置。設(shè)備上電后，首先軟件對所有相關(guān)芯片外設(shè)進(jìn)行初始化配置，初始化結(jié)束后進(jìn)入軟件的主體循環(huán)結(jié)構(gòu)。在軟件主題循環(huán)結(jié)構(gòu)中各個主要功能模塊以不同的任務(wù)模塊交互循環(huán)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)設(shè)備整體功能。軟件流程圖如圖6所示：

圖6 軟件總體設(shè)計流程圖

其中，TASAK_BD是主控芯片對北斗協(xié)議預(yù)處理的任務(wù)模塊；TASAK_BT是主控芯片與藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的任務(wù)模塊；TASAK_DISP是主控芯片對OLED顯示屏控制的任務(wù)模塊；TASAK_PerCtrl是主控芯片對外圍器件驅(qū)動及控制的任務(wù)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(shè)計與硬件功能休戚相關(guān)，特別是ARM微處理器的自身功能直接決定了整個系統(tǒng)軟件的功能強(qiáng)弱。在初始化函數(shù)設(shè)計時，首先要對ARM處理器系統(tǒng)時鐘進(jìn)行初始化，然后再對需要使用的微處理器芯片的IO引腳進(jìn)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(yīng)用到的一些自定義的緩存空間進(jìn)行初始化，然后整個軟件系統(tǒng)進(jìn)入函數(shù)主題結(jié)構(gòu)。

ARM芯片初始化的函數(shù)主要有：

3.3 軟件主題功能設(shè)計

軟件的設(shè)計主要是實(shí)現(xiàn)主控模塊與其余模塊的數(shù)據(jù)交互和對外圍器件的驅(qū)動控制。其主函數(shù)入口如下：

在主函數(shù)中，當(dāng)所有的外設(shè)初始化結(jié)束后，系統(tǒng)將創(chuàng)建一個起始任務(wù)，所有的功能任務(wù)將在起始任務(wù)中創(chuàng)建。起始任務(wù)的功能就是完成各功能模塊任務(wù)的創(chuàng)建，任務(wù)創(chuàng)建結(jié)束，起始任務(wù)將被系統(tǒng)掛起，不在參與任務(wù)調(diào)度。系統(tǒng)資源交由功能任務(wù)模塊進(jìn)行調(diào)度。起始任務(wù)創(chuàng)建的功能任務(wù)主要有：TASK_BD，創(chuàng)建北斗協(xié)議數(shù)據(jù)預(yù)處理任務(wù)；TASK_BT，創(chuàng)建藍(lán)牙模塊數(shù)據(jù)處理任務(wù)；TASK_DISP，創(chuàng)建OLED顯示模塊管理和數(shù)據(jù)處理任務(wù)；TASK_ PerCtrl，創(chuàng)建外圍設(shè)備管理和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

鑒于軟件內(nèi)容的版權(quán)保護(hù)，各任務(wù)模塊的詳細(xì)功能代碼不在此做詳細(xì)介紹。uCOSII系統(tǒng)通過對各個任務(wù)模塊的交互調(diào)度，實(shí)現(xiàn)主控模塊對各個硬件單元的驅(qū)動、控制及數(shù)據(jù)交互，通過射頻基帶實(shí)現(xiàn)與北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的通信，通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)與手機(jī)APP的數(shù)據(jù)交互，通過OLED顯示屏實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息狀態(tài)及短報文顯示。設(shè)備軟件和硬件相匹配，共同實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙伴侶的功能。

4 結(jié)束語

北斗藍(lán)牙伴侶最主要的功能之一就是能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時定位，為用戶提供精確的位置信息服務(wù)。北斗藍(lán)牙伴侶的定位功能實(shí)測結(jié)果，其定位精度在10m范圍內(nèi)。長期短報文測試數(shù)據(jù)顯示，通信成功率達(dá)到95%以上。北斗藍(lán)牙伴侶是基于中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)研發(fā)的，在北斗系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)可以進(jìn)行北斗短報文收發(fā)的北斗民用終端。北斗藍(lán)牙伴侶與手機(jī)APP配合使用，可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星短信收發(fā)、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(lán)牙伴侶最大的優(yōu)勢是在沒有手機(jī)信號的地方依然可以依靠衛(wèi)星短信與外界保持聯(lián)系，可以隨時隨地的上報自己的位置動態(tài)；當(dāng)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(fā)出帶位置的求救信息，讓救援人員快速了解情況并實(shí)施救援，最大限度保障使用者的生命安全。

[1]王立燦.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢研究[J].城市建設(shè)理論研究,2014.

[2]羅衛(wèi)兵,胡健生.基于STM32+ucGUI的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)設(shè)計[J].液晶與顯示,2014,29(02).

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

[4]周齊家.基于北斗衛(wèi)星的車載定位與通信系統(tǒng)設(shè)計[D].湖南:湖南大學(xué),2014.

[5]吳海超.基于STM32衛(wèi)星定位車載終端硬件系統(tǒng)設(shè)計[D].四川:電子科技大學(xué),2014.

唐述強(qiáng)（1964—），男，碩士，高級工程師，從事通信導(dǎo)航、無線通信系統(tǒng)設(shè)計和技術(shù)管理工作。

梁本仁（1982—），男，碩士，工程師，從事通信導(dǎo)航、GNSS高精度測量、無線通信相關(guān)的技術(shù)研發(fā)工作。

王世臣（1987—），男，碩士，工程師，從事通信導(dǎo)航、GNSS高精度測量相關(guān)的技術(shù)研發(fā)工作。

王偉（1986—），男，碩士，工程師，從事通信導(dǎo)航、GNSS高精度測量等硬件設(shè)計開發(fā)的技術(shù)研發(fā)工作。