ＧＰＳ車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中高速數(shù)據(jù)傳終端的設(shè)計(jì)

張雪冬

摘要：介紹一款應(yīng)用于GPS車輛監(jiān)控調(diào)度的高速GPS數(shù)傳終端的設(shè)計(jì)開發(fā)。該終端半雙工通信，GMSK數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)，傳輸數(shù)據(jù)率9600bps，同時(shí)能夠傳輸話音。使用此數(shù)傳終端的車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛超過1200輛／分鐘。

關(guān)鍵詞：全球定位系統(tǒng)(GPS)高斯濾波最小頻移鍵控(GMSK)無線通信

0引言

GPS車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中，需要將車輛的定位數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)回傳到監(jiān)控調(diào)度中心。常用的無線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)可以分為兩大類公網(wǎng)和專網(wǎng)。采用公網(wǎng)的GPS系統(tǒng)具有投資小、覆蓋面大、系統(tǒng)維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，但它的實(shí)時(shí)性比較差，不能進(jìn)行GPS差分定位。要用專網(wǎng)的GPS系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控目標(biāo)可采用時(shí)分復(fù)用方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，充分利用無線頻率資源，傳輸快、實(shí)時(shí)性好，可進(jìn)行GPS差分定位，定位精度高。因此專網(wǎng)的GPS車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)尤其適合于公安、消防、公交、金融運(yùn)鈔等對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用。專網(wǎng)用GPS數(shù)傳終端在系統(tǒng)中的作用主要是實(shí)現(xiàn)GPS差分定位與無線通信。本文介紹用于專網(wǎng)的低成本、高數(shù)據(jù)率、實(shí)時(shí)性好、可靠傳話音的GPS數(shù)傳終端的設(shè)計(jì)方法及其性能、特點(diǎn)。

1數(shù)傳終端設(shè)計(jì)中頻率資源的充分利用

在車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中，頻率資源有限，不能為每個(gè)終端分配一個(gè)頻段，通常是所有終端共用一個(gè)數(shù)據(jù)頻道。因此，如何復(fù)用這一頻率資源，使它得到充分利用，增大系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信容量是數(shù)傳端和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中值得探討的問題?？紤]到GPS接收模塊在進(jìn)行GPS定位時(shí)，同時(shí)會(huì)得到一個(gè)非常準(zhǔn)確的全球同步時(shí)鐘，用它來作為時(shí)分通信的時(shí)間基準(zhǔn)，就可以實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用，而不增加成本和設(shè)備復(fù)雜度。在時(shí)分通信的GPS車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中，移動(dòng)終端發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時(shí)候不多，終端常處于空閑狀態(tài)。而在車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中，采用數(shù)據(jù)傳輸定位信息、話音實(shí)現(xiàn)調(diào)度功能將大大提高系統(tǒng)性能。因此如果能在半雙工的傳輸平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)既傳輸數(shù)據(jù)又傳輸話音而不相互干擾，將會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)性能在不增加成本的情況下，得到極大的提高。我們采取以下辦法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與話音的同時(shí)傳輸：①采用兩個(gè)25kHz帶寬的頻道，一個(gè)用于話音通信，一個(gè)用于數(shù)據(jù)通信；②大部分時(shí)間里移動(dòng)終端處于話音頻道，接收或發(fā)送話音，在收發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)隙，無論是否收、發(fā)話音，都強(qiáng)制切換到數(shù)據(jù)道收發(fā)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通信完成后，回到話音頻道，繼續(xù)收發(fā)話音。這樣數(shù)據(jù)收發(fā)只會(huì)引起話音通信的不到100毫秒的中斷，因而對(duì)話音通信的影響可忽略。③在監(jiān)控調(diào)度中心安裝兩個(gè)基站終端，一個(gè)專用于話音通信，一個(gè)專用于數(shù)據(jù)通信；每個(gè)監(jiān)控目標(biāo)安裝一個(gè)移動(dòng)終端，在給定的時(shí)隙收發(fā)數(shù)據(jù)，其它時(shí)間收發(fā)話音，基站終端與移動(dòng)終端只在軟件上略有不同。這樣，就可以在半雙工的平臺(tái)上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和話音的半雙工傳輸。

2GPS數(shù)傳終端的硬件設(shè)計(jì)

2.1數(shù)字調(diào)制方式的選擇時(shí)分通信系統(tǒng)中決定系統(tǒng)容量的主要因素有三個(gè)：無線數(shù)據(jù)傳輸率、不同終端之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｗo(hù)時(shí)間以及每個(gè)終端的數(shù)據(jù)量。增加數(shù)據(jù)傳輸速率，可直接加大通信系統(tǒng)容量。在車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中，帶寬資源是非常有限的，要提高通信數(shù)據(jù)率，必須采用效率比較高的調(diào)制方式。

2.2頻率調(diào)制和解調(diào)的設(shè)計(jì)為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠，發(fā)射電路采用兩個(gè)振蕩器：一個(gè)中頻振蕩器和一個(gè)本地振蕩器，數(shù)據(jù)和話音分別調(diào)制這兩個(gè)振蕩器。數(shù)話分開調(diào)制的好處是避免了兩路的相互影響，并且數(shù)據(jù)信號(hào)直接調(diào)制中頻晶體振蕩電路，提高了數(shù)據(jù)調(diào)制的穩(wěn)定度，有利于實(shí)現(xiàn)MSK調(diào)制和接收電路的解調(diào)。中頻振蕩器采用高精度晶振構(gòu)成的振蕩器；本振采用可編程吞脈沖PLL(鎖相環(huán))頻率綜合器，通過PLL將本振VCO(壓控振蕩器)鎖定于高精度晶體振蕩器，使本振既具有很高的頻率穩(wěn)定度，又可以通過編程改變頻率。從天線接收來的射頻信號(hào)放大后，經(jīng)過兩次下變頻、濾波得到基帶信號(hào)，基帶信號(hào)放大后，可以推動(dòng)喇叭發(fā)聲或往高斯逆濾波器解調(diào)出數(shù)字信號(hào)。由于PLL頻率綜合器的成本比較高，考慮到實(shí)際使用時(shí)頻率資源的限制，數(shù)傳終端采用半雙TT作方式，頻率調(diào)制和解調(diào)共用一個(gè)PLL頻率綜合器(本振)。PLL的轉(zhuǎn)換時(shí)間是一個(gè)重要的指標(biāo)，轉(zhuǎn)換時(shí)間的大小直接影響終端的性能。轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)使終端數(shù)字／話音通信頻道轉(zhuǎn)換時(shí)間也長(zhǎng)，不同終端發(fā)送數(shù)據(jù)保護(hù)時(shí)間加長(zhǎng)，會(huì)大大減小整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字通信容量，降低系統(tǒng)性能；而且PLL的轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)，數(shù)據(jù)通信就會(huì)使話音通信中斷較長(zhǎng)的時(shí)間，嚴(yán)重影響話音通信的質(zhì)量。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少PLL的轉(zhuǎn)換時(shí)間，提高PLL的鎖定速度。采用變寬法加速PLL的鎖定，系統(tǒng)性能有了較大提高。

2.3高斯低通濾波和逆濾波電路高斯低能濾波器指的是濾波器的頻率響應(yīng)為高斯函數(shù)，高斯濾波器的沖擊響應(yīng)也為高斯函數(shù)，采用模擬方法是不可能實(shí)現(xiàn)這種濾波器的，通常采用數(shù)字存儲(chǔ)的方法實(shí)現(xiàn)高斯濾波器。這里采用一款由CML公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的GMSK調(diào)制解調(diào)器FX589。為了達(dá)到無線通信要求的信道帶寬為25kHz，帶外干擾＜－60dB，選擇數(shù)據(jù)率為9600bps，BT=0.5。根據(jù)FX589的工作特性，采取了以下措施，提高數(shù)據(jù)通信的性能：①精心設(shè)計(jì)FX589的外圍電路，配合FX589工作；②將發(fā)／收的數(shù)據(jù)進(jìn)行加／解擾，去除信號(hào)中的直流和低頻成分以適合FX589的要求；⑧給數(shù)據(jù)加上合適的頭碼，利用FX589恢復(fù)接收時(shí)鐘，保護(hù)接收數(shù)據(jù)完整性；④軟件上采取數(shù)據(jù)檢錯(cuò)重發(fā)機(jī)制，消除誤碼對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

2.4數(shù)傳終端的整體設(shè)計(jì)整個(gè)數(shù)傳終端的設(shè)計(jì)以MCU為中心，并采用FPGA來整合周邊器件，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低測(cè)試維修的復(fù)雜度。串行EEPROM用于存儲(chǔ)車輛的重要信息，如編號(hào)、車牌號(hào)等。FLASH用于記錄車輛運(yùn)行信息，以供調(diào)度中心查詢。SRAM存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)，如GPS定位信息、差分定位信息等。GPS接收模塊用于接收GPS信號(hào)，實(shí)現(xiàn)GPS差分定位功能。顯示與控制面板采用帶背光液晶顯示，由電源音量旋鈕、靜噪調(diào)整旋鈕與四個(gè)輕觸按鍵控制。RS－232測(cè)試設(shè)置口用來與PC機(jī)或其它設(shè)備通信。FPGA將所有器件聯(lián)系成一個(gè)整體，由微控制器通過串行通信口、地址數(shù)據(jù)接口及通用I／O口控制各模塊協(xié)調(diào)工作，完成整個(gè)數(shù)傳終端的顯示、通信與數(shù)據(jù)處理等功能。

3GPS數(shù)傳終端控制軟件的設(shè)計(jì)

GPS數(shù)傳終端的軟件設(shè)計(jì)，要求首先配合硬件保證終端工作穩(wěn)定可靠；其次是合理控制，充分發(fā)揮硬件潛力，提升終端、系統(tǒng)的性能；另外還要兼顧系統(tǒng)需要，提供良好的操作界面和一定的附加功能與擴(kuò)展能力。由于終端工作在一個(gè)時(shí)分通信系統(tǒng)中，每個(gè)終端只能在指定的時(shí)刻收發(fā)數(shù)據(jù)，因此在軟件設(shè)計(jì)中，實(shí)時(shí)性的要求非常高。如果軟件控制的實(shí)時(shí)性不好，會(huì)亂不同終端間的數(shù)據(jù)通信相互干擾。這種情況下要保證數(shù)據(jù)傳輸可靠，就只能特殊系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信容量，加大不同終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｗo(hù)時(shí)間。在軟件設(shè)計(jì)中，為了減小不同終端之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｗo(hù)時(shí)間，增大系統(tǒng)容量，根據(jù)系統(tǒng)半雙工數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)射電路采用了提前轉(zhuǎn)頻道的控制方法。采用此方法后，保護(hù)時(shí)間不包含PLL鎖定時(shí)間，只包含射頻功率建立時(shí)間。由于射頻功率建立時(shí)間很短，可以忽略，因而MCU控制的時(shí)間準(zhǔn)確度便成了決定保護(hù)時(shí)間的主要因素，只要軟件控制實(shí)時(shí)性好就可以把保護(hù)時(shí)間減少至幾毫秒以內(nèi)。