柯秋立，蘇凱雄

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350002)

北斗通信終端軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

柯秋立，蘇凱雄

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350002)

為了對(duì)北斗衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)(Radio Determination Satellite Service，RDSS)報(bào)文與衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(Radio Navigation Satellite Service，RNSS)報(bào)文的控制實(shí)現(xiàn)功能集成，設(shè)計(jì)一種針對(duì)北斗用戶終端模塊的軟件系統(tǒng)?；谇昂笈_(tái)分離的設(shè)計(jì)思想來(lái)構(gòu)架該軟件，即后臺(tái)線程負(fù)責(zé)使用串口與用戶終端模塊通信,包括對(duì)RDSS/RNSS數(shù)據(jù)的接收解析和對(duì)RDSS數(shù)據(jù)的封裝發(fā)送；前臺(tái)用戶界面完成數(shù)據(jù)的可視化，并實(shí)現(xiàn)靈活的人機(jī)交互。前后臺(tái)線程之間采用并發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的快速處理。

RDSS；RNSS；集成; 控制

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為后起之秀，相關(guān)應(yīng)用等待挖掘，具有很大的市場(chǎng)潛力。鑒于GPS的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在北斗一代系統(tǒng)導(dǎo)航終端的市場(chǎng)化過程中，有北斗系統(tǒng)RDSS業(yè)務(wù)與GPS RNSS業(yè)務(wù)相結(jié)合的導(dǎo)航終端案例，并且北斗二代系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了與GPS類似的RNSS業(yè)務(wù)[1]，因而結(jié)合了RDSS業(yè)務(wù)與RNSS業(yè)務(wù)的終端軟件將會(huì)在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用過程中發(fā)揮出巨大作用。

本文針對(duì)此需求，設(shè)計(jì)一種控制軟件系統(tǒng)，對(duì)北斗RDSS、RNSS綜合業(yè)務(wù)進(jìn)行報(bào)文控制，包括數(shù)據(jù)通信、授時(shí)、終端移動(dòng)數(shù)據(jù)獲取等功能，并且具有較好的人機(jī)交互效果。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端系統(tǒng)概述

如圖1所示，一個(gè)完整的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端系統(tǒng)，主要由北斗用戶終端模塊(該模塊同時(shí)具有北斗一代的RDSS業(yè)務(wù)功能與GPS、北斗二代的RNSS業(yè)務(wù)功能)、Windows平臺(tái)、后臺(tái)數(shù)據(jù)處理線程、人機(jī)界面四個(gè)部分組成。整個(gè)北斗導(dǎo)航終端系統(tǒng)的功能主要是RDSS/RNSS數(shù)據(jù)幀的接收解析與封裝發(fā)送。數(shù)據(jù)幀接收過程：北斗用戶終端首先將天線接收到的北斗信號(hào)經(jīng)過模塊內(nèi)部的信號(hào)處理，轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)并輸出到PC。串口數(shù)據(jù)進(jìn)入PC后由后臺(tái)線程根據(jù)幀協(xié)議解析，得到用戶應(yīng)用數(shù)據(jù)。該應(yīng)用數(shù)據(jù)將被人機(jī)界面進(jìn)行可視化處理。數(shù)據(jù)幀發(fā)送過程：用戶在人機(jī)界面發(fā)送命令時(shí)，該命令對(duì)應(yīng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)被后臺(tái)線程封裝成協(xié)議幀并輸出到串口。北斗用戶終端將得到的串口數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部信號(hào)處理后，通過天線發(fā)送出去。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要由兩部分組成：后臺(tái)線程設(shè)計(jì)和用戶界面設(shè)計(jì)。下面針對(duì)這兩部分的具體實(shí)現(xiàn)做詳細(xì)闡述。

2.1 后臺(tái)線程實(shí)現(xiàn)

后臺(tái)線程的設(shè)計(jì)主要涉及RDSS/RNSS協(xié)議幀的接收、解析算法，解析與顯示快速響應(yīng)算法。算法涉及RDSS/RNSS兩種報(bào)文，基于兩種不同的協(xié)議規(guī)范，一種是北斗用戶機(jī)接口協(xié)議(4.0)，另一種是NMEA0183協(xié)議。

2.1.1 用戶接口協(xié)議

用戶接口協(xié)議規(guī)范了通信應(yīng)用數(shù)據(jù)幀的格式。北斗一代接口數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議(4.0)在該控制軟件中主要用于規(guī)范北斗通信數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)，而NMEA0183協(xié)議主要用于規(guī)范衛(wèi)星的位置數(shù)據(jù)和終端設(shè)備的移動(dòng)數(shù)據(jù)。

北斗用戶機(jī)接口協(xié)議(4.0)如圖2所示。“用戶地址”是指作為發(fā)送方的北斗卡號(hào)碼，而接收方的北斗卡號(hào)碼被包含在“信息內(nèi)容”字段中。

圖2 北斗用戶機(jī)接口協(xié)議(4.0)規(guī)范

由北斗用戶機(jī)接口協(xié)議(4.0)可知，該協(xié)議數(shù)據(jù)幀是以字節(jié)為單位來(lái)表示信息，所以要將該數(shù)據(jù)幀原有的字節(jié)類型轉(zhuǎn)換為方便計(jì)算機(jī)處理的基本數(shù)據(jù)類型[2]。

北斗用戶機(jī)接口協(xié)議(4.0)中，在北斗終端設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的方式有“代碼”、“漢字”兩種。在北斗終端設(shè)備實(shí)際通信過程中，當(dāng)通信數(shù)據(jù)出現(xiàn)中英文數(shù)字混合的情況時(shí)，應(yīng)選擇“代碼”方式發(fā)送；如果單純發(fā)送數(shù)字，由于數(shù)字的范圍是0～9,為了更有效地利用有限帶寬，可以在“代碼”通信方式中進(jìn)行拓展，用4 bit來(lái)表示一個(gè)數(shù)字，而不是原來(lái)ASCII規(guī)范的1 B來(lái)表示一個(gè)數(shù)字。

NMEA0183協(xié)議(National Marine Electronics Association )是為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式，定義了接收機(jī)輸出信息的標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議用逗點(diǎn)隔開數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流長(zhǎng)度為30～100字符不等，通常以每秒間隔選擇輸出[3]。常用的NMEA0183協(xié)議語(yǔ)句功能如表1所示。

表1 常用的NMEA0183協(xié)議功能描述

2.1.2 數(shù)據(jù)接收算法

數(shù)據(jù)幀接收模塊的輸入為字節(jié)數(shù)據(jù)流，模塊通過不斷地讀取串口緩沖區(qū)，經(jīng)內(nèi)部處理，輸出完整的協(xié)議幀語(yǔ)句。數(shù)據(jù)接收模塊的內(nèi)部流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)接收算法流程圖

由于RNSS(北斗二代、GPS)數(shù)據(jù)幀采用NMEA0183協(xié)議規(guī)范，RDSS(北斗一代)數(shù)據(jù)幀采用北斗用戶機(jī)接口協(xié)議(4.0)規(guī)范，因而數(shù)據(jù)幀的接收需要適配兩種協(xié)議規(guī)范。

根據(jù)圖2北斗用戶機(jī)接口協(xié)議(4.0)規(guī)范，該類數(shù)據(jù)幀的完整接收策略為：接收方先接收該幀的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，作為該幀數(shù)據(jù)量大小的標(biāo)準(zhǔn)；然后，接收幀體并計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值與長(zhǎng)度數(shù)據(jù)相等時(shí)就表示該幀接收完整。

根據(jù)NMEA0183協(xié)議規(guī)范，該類數(shù)據(jù)幀的完整接收策略為：接收到幀頭“$--”時(shí)表示有效數(shù)據(jù)開始，一直接收，直到收到幀尾“ ”時(shí)表示一個(gè)數(shù)據(jù)幀結(jié)束。

2.1.3 數(shù)據(jù)解析算法

數(shù)據(jù)解析涉及北斗用戶機(jī)接口協(xié)議(4.0)和NMEA0183協(xié)議，而且由于兩類數(shù)據(jù)流都是由同一個(gè)串口來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因而數(shù)據(jù)解析時(shí)，算法必須適配兩種協(xié)議。

部分?jǐn)?shù)據(jù)解析的算法流程圖如圖4所示。

圖4 部分?jǐn)?shù)據(jù)解析算法流程圖

圖5 軟件系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

解析即在數(shù)據(jù)幀里提取相應(yīng)字段的信息并顯示。首先需要將數(shù)據(jù)幀從字節(jié)流形式通過ASCII規(guī)范轉(zhuǎn)換為字符串形式以便編程處理[4]。將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為字符串形式后，利用編程語(yǔ)言的字符串分割方法便可以很容易地得到各個(gè)字段的應(yīng)用數(shù)據(jù)信息。對(duì)于通信信息“$TXXX”、時(shí)間信息“$SJXX”、定位信息“$DWXX”、移動(dòng)數(shù)據(jù)“$RMC”直接將應(yīng)用數(shù)據(jù)交付用戶界面；對(duì)于有關(guān)可見衛(wèi)星編號(hào)、衛(wèi)星俯仰角、信號(hào)載噪比的“$GSV”語(yǔ)句，需要將衛(wèi)星編號(hào)與其俯仰角或載噪比等數(shù)據(jù)組合成鍵值對(duì)再交付用戶界面，以便于該數(shù)據(jù)在柱狀圖、星座圖上顯示。

2.1.4 快速響應(yīng)方法

數(shù)據(jù)接收與數(shù)據(jù)解析，這兩個(gè)流程之間的同步形式直接決定了軟件響應(yīng)的速度。該軟件將這兩個(gè)流程分別設(shè)計(jì)成兩個(gè)獨(dú)立的線程，并且采用緩沖技術(shù)，極大地提高了響應(yīng)速度。

首先，在內(nèi)存空間開辟n個(gè)緩存區(qū)。

之后，數(shù)據(jù)接收線程將完整的數(shù)據(jù)幀填入緩存區(qū)1。緩存區(qū)1填完之后，數(shù)據(jù)接收線程將新的完整數(shù)據(jù)幀填入緩存區(qū)2。重復(fù)這個(gè)過程直到最后一個(gè)緩存區(qū)n被填完，又重新開始填充緩存區(qū)1。數(shù)據(jù)接收線程將一直循環(huán)這樣的流程。

與此同時(shí)，數(shù)據(jù)解析線程首先判斷緩存區(qū)1是否填滿，如果已經(jīng)填充完成，那么就將該數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析；如果還沒完成，那么等待。緩存區(qū)1的數(shù)據(jù)幀解析完成之后，立刻又對(duì)緩存區(qū)2的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析。直到最后一個(gè)緩存區(qū)n的數(shù)據(jù)幀被解析完，又重新從緩存區(qū)1開始解析數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)解析線程將一直重復(fù)這樣的流程。

2.2 前臺(tái)界面設(shè)計(jì)

用戶界面的輸入主要有“定位申請(qǐng)”和“通信申請(qǐng)”命令，而接收的信息主要有用戶通信信息、用戶移動(dòng)數(shù)據(jù)(速度、經(jīng)緯度等)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)(衛(wèi)星數(shù)、衛(wèi)星俯仰角等)。本次用戶界面設(shè)計(jì)采用Visual Studio 2010為開發(fā)工具。利用Windows Form框架[5]將解析得到的應(yīng)用數(shù)據(jù)如衛(wèi)星信號(hào)載噪比數(shù)據(jù)、衛(wèi)星俯仰角數(shù)據(jù)在柱狀圖、星座圖上進(jìn)行顯示，而對(duì)于其他簡(jiǎn)單的應(yīng)用數(shù)據(jù)，則使用文字顯示。最終得到如圖5所示界面。

3 軟件系統(tǒng)測(cè)試

本次軟件設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)是PC Windows操作系統(tǒng)環(huán)境，北斗終端用戶機(jī)采用FB3511。該軟件將對(duì)用戶機(jī)的報(bào)文進(jìn)行控制處理。運(yùn)行軟件，待鎖定北斗衛(wèi)星信號(hào)后開始進(jìn)行測(cè)試。

(1)定位功能功能測(cè)試

按下“單次定位”按鈕，“北斗報(bào)文顯示”框給出經(jīng)緯度信息，如圖6。輸出的經(jīng)緯度信息與測(cè)試地經(jīng)緯度一致，表明RDSS定位報(bào)文控制功能正確實(shí)現(xiàn)。圖中，“單次定位”命令未能及時(shí)響應(yīng)，這是由于該北斗卡限制報(bào)文發(fā)送頻度為60秒所致。

圖6 定位功能測(cè)試圖

(2)通信功能測(cè)試

在“收方地址”填入本機(jī)卡號(hào)307577，即發(fā)給本臺(tái)設(shè)備。在信息發(fā)送框填入“你好，北斗 hello BD”，在“北斗報(bào)文顯示”框里面就會(huì)收到該信息，如圖7。收發(fā)信息一致，

圖7 北斗短報(bào)文功能測(cè)試圖

表明RDSS收發(fā)報(bào)文功能正確實(shí)現(xiàn)。

(3)設(shè)備移動(dòng)信息功能測(cè)試

設(shè)備的移動(dòng)數(shù)據(jù)由北斗衛(wèi)星不斷地發(fā)送到用戶終端設(shè)備，如圖8。授時(shí)時(shí)間符合北京時(shí)間，定位衛(wèi)星數(shù)、視野衛(wèi)星數(shù)等與接收的報(bào)文數(shù)據(jù)一致，設(shè)備移動(dòng)信息包括対地速度與航向與設(shè)備實(shí)際情況一致，表明RNSS報(bào)文解析功能正確實(shí)現(xiàn)。

圖8 用戶設(shè)備移動(dòng)信息功能測(cè)試圖

4 結(jié)論

該軟件系統(tǒng)采用了Windows Form框架和多線程并發(fā)技術(shù)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，合理規(guī)劃各個(gè)數(shù)據(jù)處理流程的分工，將數(shù)據(jù)處理的負(fù)荷合理分配到各個(gè)部分。實(shí)際測(cè)試表明，該軟件能夠?qū)DSS/RNSS兩種協(xié)議報(bào)文進(jìn)行可靠、準(zhǔn)確的控制，做到快速響應(yīng)，為后續(xù)的軟件應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)。

[1] 黃建華.北斗RDSS機(jī)制下的導(dǎo)航地圖更新設(shè)想及實(shí)踐[J].測(cè)繪通報(bào),2012(5):44-46,49.

[2] 文斌,寧志強(qiáng),陳愛萍.基于“北斗一代”的ZigBee無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù),2011,51(9):92-95.

[3] 朱炳瑜,肖純賢,陳永虎,等.智能車載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].南開大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,44(6):14-17.

[4] 薛雅娟,陳維鋒,郭勇,等.C# .NET環(huán)境下GPS OEM板接收機(jī)數(shù)據(jù)的提取[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào),2006,21(5):645-648.

[5] 林淑真,楊秀芝,蘇凱雄,等.基于Web的鋰電池組管理系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2015,34(21):21-23,33.

Design and implementation of the Beidou communication terminal software

Ke Qiuli,Su Kaixiong

(College of Physics and Information Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350002,China)

In order to integrate the Radio Determination Satellite Service (RDSS) message controller function and the Radio Navigation Satellite Service (RNSS) message controller function,a software system based on the Beidou user terminal module is designed in this paper.The software is based on the design idea of the front and back system separation.The background thread is in charge of the communication between the serial port and the user terminal,including reception and unpacking the RDSS/RNSS package or packing and sending the RDSS data in turn.The foreground user interface is responsible for data visualization and realizes the flexible human-computer interaction.The concurrent technology is adopted in this system to realize communication data processed rapidly between the front thread and the back thread.

Radio Determination Satellite Service; Radio Navigation Satellite Service; integration; control

福建省發(fā)改委2014年產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)合創(chuàng)新專項(xiàng)資助(榕發(fā)改工[2014]100號(hào))

TN927+.2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.10.005

柯秋立，蘇凱雄.北斗通信終端軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(10)：15-17,22.

2016-11-26)

柯秋立(1991-)， 通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用。E-mail:2433887011@qq.com。

蘇凱雄(1959-)，男，碩士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：無(wú)線通信、多媒體通信、數(shù)字電視廣播等。