王延文,王爾申,唐遠(yuǎn)江,哈哲遠(yuǎn),廖馨宇,李 珍,于子航

(1.沈陽航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,沈陽 110136;2.沈陽航空航天大學(xué) 創(chuàng)新學(xué)院,沈陽 110136)

便攜式北斗通信定位終端系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)*

王延文1,王爾申1,唐遠(yuǎn)江1,哈哲遠(yuǎn)2,廖馨宇2,李 珍1,于子航2

(1.沈陽航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,沈陽 110136;2.沈陽航空航天大學(xué) 創(chuàng)新學(xué)院,沈陽 110136)

為保障在應(yīng)急情況下數(shù)據(jù)信息的正常傳輸和通信能力,利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航定位和短報(bào)文功能,研究并設(shè)計(jì)了基于微控制器的便攜式北斗通信定位終端。終端以STC89C52RC微處理器為控制核心,通過接口與通信定位模塊進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)通信,對(duì)通信協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)解析,研究了漢字短信息的輸入方法,給出了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果,測試結(jié)果表明:系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠運(yùn)行,可作為公共網(wǎng)絡(luò)通信的重要補(bǔ)充和應(yīng)急通信方式。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);應(yīng)急通信;微控制器;定位;短報(bào)文

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主研制開發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),是除美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯的GLONASS之后第3個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前,可實(shí)現(xiàn)區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ?并兼具短報(bào)文通信能力。計(jì)劃2020年實(shí)現(xiàn)在全球范圍內(nèi)為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。近年來,利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位及導(dǎo)航的終端設(shè)備導(dǎo)層出不窮,越來越多的領(lǐng)域可見到北斗終端的應(yīng)用[1]。

“北斗一代”的短報(bào)文功能是北斗系統(tǒng)的一大特色,是其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不具備的功能。短報(bào)文能夠?qū)崿F(xiàn)終端和北斗衛(wèi)星或北斗地面服務(wù)站之間通過衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行雙向的信息傳遞,尤其在公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不能覆蓋的情況下,北斗通信終端可以通過短報(bào)文進(jìn)行緊急通信等,構(gòu)建北斗應(yīng)急通信系統(tǒng)[2],可實(shí)現(xiàn)位置、狀態(tài)、應(yīng)急信息和告警等數(shù)據(jù)信息的傳輸,在應(yīng)急情況下保障了數(shù)據(jù)信息的正常傳輸和通信能力。而且,短報(bào)文也可應(yīng)用到地質(zhì)監(jiān)測等其他領(lǐng)域,將在各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過短報(bào)文定期發(fā)給監(jiān)控中心。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

研究的終端系統(tǒng)主要完成對(duì)位置信息的獲取及收發(fā)短報(bào)文。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),北斗通信定位模塊由天線單元、收發(fā)單元和數(shù)據(jù)處理單元構(gòu)成,其中數(shù)據(jù)處理單元是模塊最為重要的部分,實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的解析處理。收發(fā)模塊單元主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制與解調(diào),天線單元實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收與發(fā)射;微控制器選用STC89C52RC,該微控制器具有應(yīng)用簡單、方便等特點(diǎn),而且片內(nèi)資源豐富,滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。顯示模塊采用帶字庫的LCD12864,該顯示模塊有靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令,可以顯示8×4行、16×16點(diǎn)陣的漢字,也可完成圖形顯示?？梢圆捎么谢虿⑿械姆绞竭M(jìn)行顯示;文本編輯模塊是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人機(jī)交互接口,用戶通過按鍵輸入發(fā)送的“短報(bào)文”信息,實(shí)現(xiàn)雙向通信。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件的原理框圖

2 系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 北斗通信定位模塊

設(shè)計(jì)中采用的北斗通信定位模塊是通用型北斗通信定位模塊,其正常工作電壓為5 V。北斗通信定位模塊的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其中數(shù)據(jù)處理單元是該模塊最為重要的部分,實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議處理。收發(fā)模塊單元主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制與解調(diào),天線單元實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收與發(fā)射,電源為處理器提供工作所需的電壓。

圖2 通信定位模塊的整體結(jié)構(gòu)框圖

北斗通信定位模塊包含了北斗一代通信與北斗二代定位的功能,北斗一代為有源定位,北斗二代為無源定位。該模塊默認(rèn)輸出 NMEA信息及RDSS信息,輸出的信息的格式以“$”為起始符,通過該符號(hào)來識(shí)別指令。設(shè)計(jì)中使用北斗一代通信功能,北斗二代定位功能以提高定位的精度。北斗一代進(jìn)行通信需要由微控制器向通信定位模塊發(fā)送“申請指令”,模塊收到指令后返回相應(yīng)的“響應(yīng)指令”。通信的請求指令格式說明如表1所示,定位/通信的響應(yīng)指令格式說明如表2所示。

(1)“請求指令”用 ASCⅡ碼表示,每一個(gè) ASCⅡ碼占用1 byte;

(2)“長度”表示從“請求指令”的起始符“$”起到“校驗(yàn)和”為止的數(shù)據(jù)的總字節(jié)數(shù);

(3)“用戶地址”表示用戶機(jī) SIM 卡號(hào),共有3 byte;

(4)“校驗(yàn)和”指從“請求指令”起始符“$”起到“校驗(yàn)和”的前一個(gè)字節(jié),按字節(jié)異或運(yùn)算得到的結(jié)果;

(5)“信息內(nèi)容”用二進(jìn)制原碼表示,各參數(shù)要嚴(yán)格按照格式要求的長度進(jìn)行填充,長度不足時(shí)要求高位用“0”補(bǔ)齊。

(6)有符號(hào)參數(shù),規(guī)定“0”表示“+”,“1”表示“-”。

表1 定位/通信的請求指令格式

表2 定位/通信的響應(yīng)指令格式

2.2 文本編輯模塊

文本編輯模塊主要由4個(gè)子模塊組成,包括4×4矩陣鍵盤,用戶通過按鍵輸入發(fā)送的“短報(bào)文信息”;微控制器是處理核心,實(shí)現(xiàn)與各個(gè)外設(shè)模塊的指令和數(shù)據(jù)交互。LCD12864液晶顯示模塊顯示人機(jī)交換信息。文本編輯模塊的硬件組成原理如圖3所示。

圖3 文本編輯模塊的硬件原理框圖

文本編輯模塊中的核心控制芯片采用STC12C5A60S2,該微控制器具有速度高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),其指令代碼與8051完全兼容,而且速度比8051快8倍～12倍。4×4矩陣鍵盤用4條I/O線作為行線,4條I/O線作為列線。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括以下幾個(gè)任務(wù):串行通信,發(fā)送和接收定位/通信指令,文本編輯,液晶顯示等。

3.1 發(fā)送和接收定位指令程序

定位申請指令要嚴(yán)格按照格式進(jìn)行編程,采用16進(jìn)制表示。例如,單次定位申請的指令可表示為:24 44 57 53 51 00 16 00 00 00 04 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 27。在程序設(shè)計(jì)中,將這些數(shù)存放在字節(jié)數(shù)組中,利用串口把數(shù)組中的數(shù)據(jù)依次發(fā)送給通信定位模塊,進(jìn)而完成定位申請操作。發(fā)送定位申請的子程序流程圖如圖4所示。

圖4 發(fā)送定位申請流程圖

通信定位模塊接收到定位申請指令后返回反饋信息和定位信息,定位信息長度固定為31 byte,除去信息識(shí)別符“$WDXX”5 byte,只需循環(huán)26次就能完成接收。采用串口中斷方式接收,并進(jìn)行校驗(yàn)處理,接收子程序流程圖如圖5所示。

圖5 定位信息處理程序流程圖

定位信息中包含了時(shí)間、經(jīng)緯度、高程信息,以24 44 57 58 58 00 1F 03 09 0D 08 00 00 00 0A 28 19 4E 7B 17 21 05 29 37 1B 09 00 3B 00 0C 21為例,時(shí)間信息為“0A 28 19”分別代表10 h、40 min、25 s,經(jīng)度信息為“7B 17 21 05”分別代表123°、23 min、33 s、0.5 s,緯度信息為“29 37 1B 09”分別代表41°、55 min、27 s、0.9 s,高程信息為“00 3B”代表59 m。圖中“flg”用來判斷所接收數(shù)據(jù)的起始符是否為“$”,若是則繼續(xù)接收,否則丟棄數(shù)據(jù);數(shù)組“rec1[]”存放信息識(shí)別符,數(shù)組“DWXX[]”則是存放信息識(shí)別符后的所有信息內(nèi)容,接收完后產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)接收完成標(biāo)志,即“ser_data”置1。通過移位以及邏輯運(yùn)算操作提取出數(shù)組“DWXX[]”中所需數(shù)據(jù)的高4位和低4位數(shù),并做進(jìn)一步處理。

3.2 文本編輯程序

文本編輯程序主要用于用戶通過該模塊輸入發(fā)送的“短報(bào)文”的信息內(nèi)容。在輸入文本時(shí),除需要輸入中文外,也可能需要輸入英文、數(shù)字以及符號(hào)等。因此,將4×4鍵盤的一些特定按鍵定義為英文、數(shù)字等輸入鍵,從而構(gòu)成了完整的文本輸入模塊。文本編輯模塊程序流程圖如圖6所示。

圖6 文本編輯模塊程序流程圖

在上述功能實(shí)現(xiàn)中,通過掃描按鍵來實(shí)現(xiàn)用戶的操作,并執(zhí)行相應(yīng)的功能。單片機(jī)掃描鍵盤輸入口信號(hào),通過電平變化即可判斷是否有按鍵被按下,利用單片機(jī)讀取端口狀態(tài)獲取按鍵值,進(jìn)而,執(zhí)行相應(yīng)的按鍵處理子程序。由于按鍵操作的機(jī)械性,在按鍵閉合和斷開過程中會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)。因此,為了使單片機(jī)對(duì)一次按鍵只確認(rèn)一次動(dòng)作,采用軟件延時(shí)對(duì)按鍵進(jìn)行消抖處理。

3.3 測試結(jié)果與分析

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)定位信息的獲取、短報(bào)文數(shù)據(jù)通信以及良好的人機(jī)交換等功能。

(1)定位測試

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有友好的人機(jī)交互界面,開機(jī)顯示“歡迎使用”。測試過程中,北斗通信定位模塊的天線位置直接影響定位的性能,最好將天線放置在空曠位置。系統(tǒng)發(fā)送定位申請,微控制器收到模塊返回的定位信息,經(jīng)過處理在液晶屏幕上顯示經(jīng)緯度、時(shí)間及高程信息,結(jié)果如圖7所示。

圖7 定位信息處理結(jié)果

圖8 文本編輯模塊測試結(jié)果

(2)文本編輯模塊測試

用戶通過鍵盤輸入拼音,然后由系統(tǒng)將字庫中與該拼音匹配的漢字在下方顯示,最后由用戶選擇所要輸入的漢字。文本編輯模塊測試結(jié)果如圖8所示。

4 結(jié)論

文中研究了北斗通信定位終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì),對(duì)微控制器與模塊間的通信協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)解析和闡述,對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試,結(jié)果顯示:設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了北斗短報(bào)文的通信、定位以及漢字文本輸入等功能,系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡單、人機(jī)交換界面良好、便攜式等優(yōu)點(diǎn),可用于應(yīng)急情況下的信息通信等應(yīng)用場合,具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 蘇星,王慧泉,金仲和. 基于GPS校準(zhǔn)的皮衛(wèi)星高精度時(shí)間系統(tǒng)方案[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2016,29(8):1200-1204.

[2] 孫家棟. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展之路[J]. 衛(wèi)太空探索,2010(7):30-32.

[3] 劉禹圻,胡修林. 衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)抗單頻干擾性能研究[J]. 電子器件,2011,39(6):1410-1416.

[4] 陳淡,鄭應(yīng)航. 基于藍(lán)牙技術(shù)的北斗終端通信模塊的設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2013,36(23):16-18.

[5] Liu Jiang. Cai Baigen,Wang Jian. An Analysis of Beidou Navigation Satellite System(BDS)Based Positioning for Train Collision Early Warning[J]. IEEE Intelligent Vehicles Symposium(IV),2013:1065-1070.

[6] 刁鵬,謝聶,吳訓(xùn)忠. 低成本MINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2009,22(9):1366-1370.

[7] 梁坤,王劍,施滸立. 高靈敏度GPS接收機(jī)中的互相關(guān)減輕算法研究[J]. 電子學(xué)報(bào),2008,36(6):1098-1102.

[8] 呂斌,賀海靖. 北斗雙向通信漁船測報(bào)儀電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2013(7):61-64.

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

[10] Ye Lei,Wang Yuanfei. Marine Navigation Services Based on COMPASS(Beidou)and GPS[J]. IEEE Ubiquitous Positioning,Indoor Navigation and Location Based Service(UPINLBS),2012:1-7.

ResearchandDesignofPortableBeidouCommunicationPositioningTerminal*

WANGYanwen1,WANGErshen1*,TANGYuanjiang1,HAZheyuan2,LIAOXinyu2,LIZhen1,YUZihang2

(1.School of Electronic and Information Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China;2.Innovation College,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

In order to guarantee the data transmission and communication capacity in case of emergency situation,by using navigation positioning and short message communication function of Beidou satellite navigation system,the Beidou communication positioning portable terminal system based on microcontroller is designed. Communication positioning terminal based on STC89C52RC microprocessor as control core,sending command and data communication through the serial port and communication positioning module. The communication protocols are emphatically analyzed,and the test results of the system are given. The results show that the system can run stably and reliably,and it can be used as an important supplement and emergency communication mode for public network communication.

Beidou satellite navigation system;emergency communication;microcontroller;positioning;short message

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.015

項(xiàng)目來源:國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201510143000051,201710143000240);遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(S1612007);沈陽航空航天大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(DX506302,X1610209)

2016-10-08修改日期2016-12-18

V241.6

A

1005-9490(2017)06-1404-04

王延文(1998-),女,遼寧遼陽人,本科,主要從事電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)研究;

王爾申(1998-),男,遼寧遼陽人,博士,副教授,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航、GNSS信號(hào)處理算法研究,wanges_2016@126.com。