周兆軍，張勛勛，張濤

（陜西烽火電子股份有限公司技術(shù)研究所，陜西西安，710114）

0 引言

隨著人類全球化活動(dòng)頻繁進(jìn)行，各種突發(fā)遇險(xiǎn)事件也隨之增加，例如飛機(jī)遇險(xiǎn)、漁船遇險(xiǎn)、野外探險(xiǎn)遇險(xiǎn)、地質(zhì)災(zāi)害遇險(xiǎn)等。當(dāng)出現(xiàn)遇險(xiǎn)情況時(shí)，如果遇險(xiǎn)者可以及時(shí)地向外界發(fā)出特定的信息，搜救者通過所獲取的遇險(xiǎn)信息，可以快速地、準(zhǔn)確地、有效地開展救援行動(dòng)。目前，國(guó)際上通用的無線電救生方法是通過衛(wèi)星對(duì)遇險(xiǎn)設(shè)備進(jìn)行定位，并將遇險(xiǎn)設(shè)備的位置信息轉(zhuǎn)發(fā)到地面站或搜救設(shè)備。通常飛機(jī)、船舶基本都配有國(guó)際上專用頻段的無線電遇險(xiǎn)設(shè)備。

基于以上背景，本文設(shè)計(jì)一種遇險(xiǎn)信息采集與無線傳輸一體化的電路系統(tǒng)。該電路系統(tǒng)可將所采集到的特定遇險(xiǎn)信息（位置信息、生理信息、環(huán)境信息），通過微控制芯片（STM32）進(jìn)行數(shù)據(jù)解析與分組處理，利用FPGA 實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)通信算法處理，并通過可編程射頻收發(fā)芯片將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬射頻信號(hào)發(fā)射到所設(shè)定的工作頻點(diǎn)上，電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理圖如圖1 所示。

圖1 遇險(xiǎn)信息采集與無線傳輸電路設(shè)計(jì)原理圖

1 遇險(xiǎn)信息采集電路

本設(shè)計(jì)中所獲取的遇險(xiǎn)信息有三種：北斗定位模塊獲得的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息、藍(lán)牙模塊獲得的遇險(xiǎn)人員的生理體征信息和浸水檢測(cè)電路獲取的環(huán)境信息。

■1.1 北斗定位模塊

本設(shè)計(jì)采用和芯星通公司的高性能北斗衛(wèi)星無線電導(dǎo)航RNSS 模塊進(jìn)行遇險(xiǎn)定位[2]，該模塊屬于雙系統(tǒng)、高性能SoC（片上系統(tǒng)），具體型號(hào)為UM220-IV M，可同時(shí)支持BD2 B1、GPS L1 兩種工作模式[3]，工作頻率范圍為1559MHz～1577MHz，采用B1&GPS 方形陶瓷天線與衛(wèi)星進(jìn)行無線電收發(fā)。模塊采用SMT 焊盤，外形尺寸緊湊，適合郵票貼方式集成到電路板上。模塊在進(jìn)行定位工作時(shí)，每隔1s 將經(jīng)緯度坐標(biāo)信息通過UART(異步串口)按照115200bps 的數(shù)據(jù)速率發(fā)送給微控制芯片，其數(shù)據(jù)格式按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183 協(xié)議[4]。

■1.2 藍(lán)牙模塊

常見的便攜式、可穿戴的生理信息監(jiān)測(cè)設(shè)備有腕表、頭戴、芯片鞋等產(chǎn)品，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人員的心率、血壓、血氧、體溫等生理體征信息[5]。此類監(jiān)測(cè)產(chǎn)品都具備藍(lán)牙互連、短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽虼丝梢酝ㄟ^藍(lán)牙傳輸?shù)姆绞讲杉接鲭U(xiǎn)時(shí)人員的生理信息。

本設(shè)計(jì)選用思卡樂公司的低功耗藍(lán)牙通信模塊，其型號(hào)為SBM14580S。模塊中集成Flash，可將接到信息進(jìn)行存儲(chǔ)，其內(nèi)部集成了陶瓷天線。整個(gè)藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)小巧，通過郵票貼方式集成到電路板上。微控制芯片可以通過UART 按照相應(yīng)的傳輸協(xié)議對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行控制以及生理信息數(shù)據(jù)接收。

■1.3 浸水檢測(cè)電路

遇險(xiǎn)時(shí)對(duì)人員所處的環(huán)境監(jiān)測(cè)也是非常重要的。浸水環(huán)境是一種多見的遇險(xiǎn)環(huán)境，救援人員若能及時(shí)得知遇險(xiǎn)環(huán)境，則可以提前做好水中營(yíng)救的準(zhǔn)備，提高遇險(xiǎn)者的獲救概率。

浸水檢測(cè)電路設(shè)計(jì)中采用德州儀器公司的一款低功耗電壓比較器，可以精密監(jiān)控+IN、-IN 兩端輸入電壓變化，快速進(jìn)行輸出響應(yīng)，具體型號(hào)為TLV7031DCKR-PDSO-G5。正常狀態(tài)下浸水連接器的兩個(gè)觸點(diǎn)處于空氣中，屬于絕緣狀態(tài)，+IN 端口上的電壓小于-IN 端口上的電壓，OUT 引腳輸出為低電平。在浸水環(huán)境中，兩個(gè)觸點(diǎn)之間形成導(dǎo)通阻值，使得+IN 端口上的電壓大于-IN 端口上的電壓，OUT 引腳輸出為高電平。OUT 引腳連接到微控制芯片輸入，微控制芯片通過監(jiān)測(cè)電平高低，判斷遇險(xiǎn)人員是否為落水狀態(tài)。

2 無線傳輸電路

傳統(tǒng)的無線傳輸電路都是針對(duì)某種特定的通信方式所設(shè)計(jì)的，功能單一且固化。例如，BPSK 單載波通信系統(tǒng)與OFDM 多載波通信系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)差異巨大，AM/FM 窄帶通信系統(tǒng)與CDMA 寬帶通信系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)也完全不同。本設(shè)計(jì)不局限于某種特定通信方式，采用目前先進(jìn)的軟件無線電（SDR）架構(gòu)思路進(jìn)行無線傳輸電路設(shè)計(jì)[6]，可支持多類型的通信方式。軟件無線電硬件電路作為通用性通信平臺(tái)，一方面，需要能夠兼容各種不同類型的通信軟件算法的實(shí)現(xiàn)，另一方面，需要可以支持射頻信道中各種功能參數(shù)靈活配置，例如ADC/DAC 采樣頻率、射頻工作頻點(diǎn)、工作帶寬等等。因此，現(xiàn)代化軟件無線電技術(shù)的電路設(shè)計(jì)中核心包括兩部分：高性能的數(shù)字信號(hào)處理單元和參數(shù)可靈活配置的射頻信道。

■2.1 數(shù)字信號(hào)處理單元

數(shù)字信號(hào)處理單元主要用來實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信中不同類型的調(diào)制解調(diào)算法。本設(shè)計(jì)中數(shù)字信號(hào)處理單元選用Xilinx 公司K7 系列的FPGA 芯片，其型號(hào)為XC7K325T。該芯片采用6 輸入的查找表（LUT）配置分布式寄存器技術(shù)[7]，具有功耗低、高性能、多IO 引腳、資源豐富等特點(diǎn)，適用于高速數(shù)字信號(hào)處理以及復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)，XC7K325T 主要性能指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 XC7K325T主要性能指標(biāo)參數(shù)

■2.2 可編程射頻收發(fā)芯片

射頻信道主要完成數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)之間的轉(zhuǎn)變以及模擬信號(hào)的濾波、變頻、放大等處理。本設(shè)計(jì)選用ADI公司的一款低功耗、高度集成的數(shù)模混合一體化射頻收發(fā)芯片，型號(hào)為AD9361[8]。該芯片將傳統(tǒng)的分立式射頻器件集成在單顆芯片上，并且具備內(nèi)部功能高度可編程性，其工作頻點(diǎn)范圍為70MHz～6GHz，最大輸出功率為7dBm。用戶可以根據(jù)不同的通信方式和應(yīng)用需求，對(duì)其內(nèi)部電路進(jìn)行編程配置，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳漕l信道靈活可控。AD9361 芯片內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 AD9361 芯片內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)原理圖

接收鏈路集成包括：低噪聲放大器（LNA）、接收射頻本振（RXLO）、混頻器（Mixer）、晶體管放大器（AMP）、低通濾波器（BBLPF）、模擬信號(hào)采樣（ADC）、三級(jí)半帶濾波器（HB3、HB2、HB1）、FIR 濾波器（FIR）。接收時(shí)，射頻信號(hào)按照箭頭所指方向依次通過上述電路處理轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字基帶信號(hào)送入FPGA。

發(fā)射鏈路集成包括：FIR 濾波器（FIR）、三級(jí)半帶濾波器（HB3、HB2、HB1）、數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)模擬（DAC）、第一級(jí)低通濾波器（BB LPF）、第二級(jí)低通濾波器（LPF）、混頻器（Mixer）、發(fā)送射頻本振（TXLO）、衰減器（Attenuation）。發(fā)送時(shí)，數(shù)字基帶信號(hào)按照箭頭所指方向依次通過上述電路處理轉(zhuǎn)變成射頻信號(hào)發(fā)射出去。

以上所述的芯片內(nèi)部電路的功能都可以通過編程靈活配置。

3 主控電路

遇險(xiǎn)信息采集電路與無線傳輸電路之間還需要通過一個(gè)主控電路進(jìn)行遇險(xiǎn)工作管理與控制，其主要功能有：控制遇險(xiǎn)信息采集電路工作并輪詢式接收遇險(xiǎn)信息、按照協(xié)議規(guī)定解析各種遇險(xiǎn)信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)分組處理送往FPGA、按照需要配置可編程射頻收發(fā)芯片。本設(shè)計(jì)選用意法半導(dǎo)體的微控制芯片STM32F103R，該芯片使用高性能ARM Cortex-M3 32 位的RISC 內(nèi)核處理器[9]，且具有各種標(biāo)準(zhǔn)化外設(shè)通信接口，工作時(shí)需要外部提供一個(gè)32.768KHz 的晶體，用于RTC 時(shí)鐘源，STM32F103R 主要功能參數(shù)見表2。

表2 STM32F103R主要功能參數(shù)

4 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用

上述章節(jié)中分別對(duì)遇險(xiǎn)信息采集電路、無線傳輸電路和主控電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)地描述，在此基礎(chǔ)上將各部分電路通過交聯(lián)實(shí)現(xiàn)遇險(xiǎn)信息采集與無線傳輸一體化的電路系統(tǒng)，核心電路如圖3 所示。

圖3 遇險(xiǎn)信息采集與無線傳輸電路系統(tǒng)核心電路圖

■4.1 系統(tǒng)電路交聯(lián)設(shè)計(jì)

北斗定位模塊、藍(lán)牙模塊、浸水電路分別與微控制芯片通過UART_1、UART_2 和電平信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，微控制芯片通過SPI_1 接口與FPGA 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過SPI_2接口對(duì)射頻收發(fā)芯片進(jìn)行信道功能配置，F(xiàn)PGA 與射頻收發(fā)芯片之間分別通過數(shù)據(jù)總線RX(IQ)和TX(IQ)進(jìn)行基帶數(shù)據(jù)收發(fā)。

由于射頻收發(fā)芯片的輸出功率最大只有7dBm，難以滿足遠(yuǎn)距離通信的發(fā)射功率要求，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要在射頻收發(fā)芯片發(fā)送接口之后增加功率放大器。由于現(xiàn)有技術(shù)條件下所設(shè)計(jì)的功率放大器電路不具備通用性，都是根據(jù)實(shí)際工作頻段、輸出功率要求以及輸出的波形特征所定制的。本設(shè)計(jì)為了追求一體化、通用性的遇險(xiǎn)信息采集與無線傳輸電路系統(tǒng)，因此對(duì)于功放電路部分不做研究與設(shè)計(jì)。

■4.2 系統(tǒng)電路開發(fā)與應(yīng)用

下面通過一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用實(shí)例說明該電路系統(tǒng)的使用方法與工作流程。

通信方式采用QPSK 調(diào)制解調(diào)，調(diào)制后數(shù)據(jù)速率為800Kbps，射頻帶寬為1MHz，工作頻點(diǎn)為243MHz。遇險(xiǎn)信息發(fā)送流程為每隔5s 發(fā)送一次定位信息，每隔10s 發(fā)送一次生理信息，每隔30s 發(fā)送一次浸水狀態(tài)信息。

遇險(xiǎn)信息采集與無線傳輸一體化的電路系統(tǒng)軟件開發(fā)主要有三點(diǎn)：

第一點(diǎn)：通過FPGA 實(shí)現(xiàn)QPSK 調(diào)制算法，并將調(diào)試成功的程序燒入FPGA；第二點(diǎn)：按照800Kb/s 的數(shù)據(jù)速率設(shè)計(jì)射頻收發(fā)芯片中DAC 的采樣速率6.4MHz；按照1MHz的射頻帶寬設(shè)計(jì)FIR 數(shù)字濾波器的抽頭系數(shù)，第一級(jí)低通濾波器BB LPF 和第二級(jí)濾波器LPF 的3db 截止頻率；將發(fā)送射頻本振配置成234MHz。將所得到的這些功能參數(shù)放置在微處理芯片中，通過SPI_2 接口進(jìn)行加載配置。第三點(diǎn)：按照規(guī)定的遇險(xiǎn)信息發(fā)送流程進(jìn)行編程，并將調(diào)試成功的程序燒寫到微處理芯片內(nèi)部的Flash 中。

遇險(xiǎn)信息采集與無線傳輸一體化的電路系統(tǒng)工作流程：

第一步：系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA 和微處理器分別自動(dòng)加載各自芯片內(nèi)部的程序，北斗定位模塊、藍(lán)牙模塊和浸水檢測(cè)電路開始工作；第二步：微處理器通過SPI_2 接口將各功能參數(shù)配置到射頻收發(fā)芯片內(nèi)部寄存器中，隨后射頻收發(fā)芯片加載啟動(dòng)；第三步：微處理器按照規(guī)定的時(shí)間間隔，采用輪詢的方式接收各種遇險(xiǎn)信息；第四步：微處理器對(duì)遇險(xiǎn)信息進(jìn)行解析、數(shù)據(jù)分組處理后通過SPI_1 接口送往FPGA；第五步：FPGA 按照QPSK 調(diào)制算法對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過數(shù)據(jù)總線TX(IQ)送到射頻收發(fā)芯片；第六步：射頻收發(fā)芯片按照已經(jīng)配置好的功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列內(nèi)部處理與變換，最終以無線電方式發(fā)射出去。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種遇險(xiǎn)時(shí)信息采集與無線傳輸?shù)碾娐废到y(tǒng)。該系統(tǒng)主要由遇險(xiǎn)信息采集電路、無線傳輸電路和主控電路三部分組成?？色@取的遇險(xiǎn)信息有三種：北斗定位信息、遇險(xiǎn)人員的生理體征信息、浸水環(huán)境信息。無線傳輸電路采用了先進(jìn)的軟件無線電架構(gòu)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，可支持不同類型的通信方式。該電路系統(tǒng)作為通用性的遇險(xiǎn)通信平臺(tái)具備靈活性、可靠性、實(shí)用性的特點(diǎn)。目前，該電路系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某機(jī)構(gòu)的遇險(xiǎn)搜集行動(dòng)當(dāng)中。