基于兩路GPS信息接收和切換的無線信標機設計*

鄭俊華，譚秋林*，秦小龍

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051)

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基于兩路GPS信息接收和切換的無線信標機設計*

鄭俊華1，2，譚秋林1，2*，秦小龍1，2

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051;
2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051)

摘要:通過對目前信標機的應用范圍及國內外的發展狀況進行研究，設計了一種基于兩路GPS信息接收和切換的無線信標機。控制電路采用C8051F040單片機作為主控芯片，控制兩路GPS模塊的切換從而增加無線信標機的工作時間，提高定位精度并降低功耗。實驗測得UTC時間為11:37:30，北緯38.013 6°，東經112.446°，海拔高度為815.9 m。多次測量結果表明，該系統能實現定位數據的接收與轉發并將定位信息通過上位機進行顯示。

關鍵詞:電路與系統;信標機設計;無線通信;兩路GPS定位;低功耗

信標機是一種裝載在目標物體上，能夠發射自身地理位置信息，如自身經緯度、海拔高度等地理位置的電子設備［1］。因此信標機被廣泛應用在航空、航天、航海、氣象、手持機、彈載設備、交通車輛導航中。傳統的目標物回收采用人工搜索方式，其費時費力且易造成目標丟失。

針對上述問題，本文提出了一種無線信標機的設計方案。系統包含無線信標發射機、地面接收設備和無人機搜索設備。采用GPS定位的方式，發射機在落地過程中發送實時獲取到的GPS定位信息，并將信號發送給地面接收設備和空中的無人機搜索設備，從而實現對目標物體的快速找尋。

1　總體方案設計

系統總體設計方案如下:在目標物體下落到一定高度時，高度計給發射機發送一個啟動信號，此時信標機開始搜星并將定位結果進行發送，空中飛行的無人機進行信號搜索并將接收的信息一方面發送到地面接收網絡，一方面進行存儲。地面搜索網絡在預計區域內進行不同地面的信號搜索并接收無人機發送的信號。系統總體框圖如圖1所示。

圖1　系統總體框圖

2　系統硬件設計

信標機的硬件設計框圖如圖2所示。硬件主要由5部分組成:GPS接收模塊，信標機控制單元，無線傳輸模塊，供電部分，接收轉發單元組成。

圖2　硬件電路框圖

2.1GPS接收模塊

在GPS接收模塊中，采用U-BLOX公司的GPS導航模塊MAX-6Q和東方聯星的CNS50-GPS定位模塊。MAX6-Q模塊的串口直接與單片機的串口連接從而實現數據接收。CNS50-GPS模塊提供了四個數據輸出接口與NMEA和二進制兩種數據格式，豐富了設計的靈活性，我們通過兩路GPS電路的切換從而接收MAX6-Q的NMEA數據和CNS50-GPS模塊的二進制數據。

當需要實驗測試數據對比時采用兩路GPS模塊在同一時間工作。當需要低功耗時也可以在一定時間點內切換每個GPS模塊使其獨立工作。CPLD控制芯片通過與兩路GPS模塊連接作為數據輸入并采用一路輸出端口與單片機的串口連接實現兩路GPS數據合流的功能使兩路GPS模塊同時工作時對數據進行分時接收。單片機通過控制GPS模塊的供電電路并通過I/O口控制CPLD使其關閉對應的通道，實現單個GPS模塊工作的切換。兩路GPS電路如圖3所示。

圖3　兩路GPS電路模塊

2.2信標機控制單元模塊

考慮到系統的功耗以及GPS數據長度和傳輸速率，該模塊采用CYGNAL公司的C8051F040單片機作為控制電路的核心器件，其控制GPS模塊的供電部分，靈活切換兩路GPS的工作，從而降低系統的功耗。單片機控制部分通過串口讀取GPS模塊的信息或者對GPS模塊的數據傳輸格式、數據更新率等參數進行更改。該模塊通過串口與射頻模塊相連。電路圖如圖4所示。

圖4　控制模塊

2.3無線傳輸模塊

由于存儲器一般會降落在較偏遠地方，相比采用GPRS等需要基站的通信方式采用直接點對點通信方式具有節約成本并與操作簡單等優點。由于擴頻通信方式具有較強的抗多徑性、抗干擾性、頻譜利用率高和多址通信等優點成為現代通信中一種獨特的通信方式并被廣泛應用在軍事系統與通信網絡中［5］。所以我們將射頻模塊直接與單片機相連進行數據傳輸并在無線收發端，采用擴頻的方式進行通信。

2.4電源供電模塊

由于存儲器的找尋過程需要一段時間為保證在找尋過程中能實時傳送定位信息，需要電池提供長時間的電量。信標發射機作為一個可獨自工作的設備，對其自帶電源的體積、重量、容量方面有一定的要求。對目前市場上存在的鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鉛酸電池等電池進行各項性能比較發現鋰離子電池是性能相對較好的電池［6］。所以我們采用鋰電池作為供電電源，可以持續工作5個小時左右滿足信標機的要求。

電源供電部分為整個系統提供能量，但由于各個模塊需要的電壓各不相同所以我們需要采用電平轉換芯片將5 V電壓轉成3.3 V并增加穩壓電路，從而滿足不同模塊對5 V與3.3 V電壓的需求。

2.5接收與轉發模塊

在信標機的接收部分，我們采用與發射部分相同的數傳模塊，通過對射頻模塊進行參數設計，達到收發同步。通過單片機對后級電路進行處理，對接收的數據進行“串－并口”轉換，形成8位格式數據并通過串口傳輸到電腦，由串口調試助手或電腦上的地圖軟件顯示當前位置。

3　系統軟件設計

本系統中設計的發射模塊一方面實現自身的定位另一方面將定位信息發送給地面接收機和無人搜索機，無人機將接收到的地理信息進行存儲并轉發給地面接收網絡，地面接收機接收無人機和發射機的信號，并與他們進行通訊。GPS模塊通過搜索衛星實現定位，當搜索到3顆以上的衛星時表明定位成功［7］，并將定位信息傳送給接收部分，接收部分通過判斷發射機發送的信息中的標志位，可以判斷定位是否成功。當接收到定位數據后，接收機對接收到的數據進行處理并顯示在上位機上，實現對定位信息的監控。當持續很長時間還是搜索不到3顆以上的衛星時，發射機只能向接收網絡發送定位未成功信號，此時我們只能通過判斷信號強弱及方向對尋找目標進行搜索。軟件流程圖如圖5所示。

圖5　軟件流程圖

4　測試結果與分析

為驗證本文設計的信標機的性能，在校園內進行測試并對測量結果進行分析。對發射機輸出的信號使用頻譜分析儀在頻域內進行測試，測試結果如圖6所示。從測試結果得出發射功率為864 mW。使用上位機顯示軟件U-center對MAX-6Q模塊接收到的數據進行顯示，顯示結果如圖7所示。從圖7可以得到信標機的速度，海拔高度，經緯度，定位衛星數量，當前時間日期等信息。可通過軟件設置顯示需要的信息NMEA0183［8，9］協議的MYMGPRMC數據格式，顯示結果如圖8所示。從圖8可以看出當前的時間是UTC時間11:37:30，北緯38.013 6°，東經112.446°，海拔高度為815.9 m。

圖6　發射機輸出信號

圖7　U-center軟件顯示的位置信息

圖8　需要的定位信息

5　結束語

基于兩路GPS信息接收和切換的無線信標機，通過兩路GPS的切換不僅提高了定位精度而且降低了功耗。該系統通過單點通訊的方式對信號進行接收與轉發，結構簡單并克服了建立無線接收發送基站的問題，且成本較低［10］。經過實地實驗表明該系統穩定可靠，GPS數據更新率為5 Hz，能夠滿足要求，具有廣泛的應用前景。

參考文獻:

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鄭俊華(1987－)，女，漢族，山西省忻州人，現為中北大學在讀碩士研究生，研究方向為電路與系統，1194012665@qq.com;

譚秋林(1979－)，男，湖南衡南人，博士，教授，中北大學學術帶頭人，中國微米納米技術學會高級會員，國際重要學術期刊Sensors and Actuators B、Optics Communications、Sensors的通訊審稿人。研究方向為光學氣體傳感器及檢測技術、無線無源微納傳感器及微系統集成技術、無線傳感器網絡及射頻技術、數據采集及存儲技術。

The Design of a Simple Digital Control Frequency Characteristic Test Instrument for Digital Control

CHEN Song*，RONG Jun
(Department of Information and Communication Engineering，Hunan Institute of Science and Technology，Yueyang Hunan 414006，China)

Abstract:A simple frequency characteristic test instrument system is designed with STM32F407 as control core，and the system can measure the amplitude frequency characteristics and phase frequency characteristics of two-port network ranging from 1 MHz to 40 MHz.The system uses analog multiplier AD835 and second-order active low-pass filter to get the orthogonal demodulation circuit，and then finishes analogy signal to digital signal conversion by high resolution ADC chip ADS1271.Finally，the amplitude frequency characteristics and phase frequency characteristics of the tested network will be displayed by a displaying module.The system has been tested，and the system can tell the amplitude-versus-frequency curve of the measured network correctly as well as its center frequency and bandwidth of 3 dB，and the accuracy of voltage gain is better than 0.5 dB，phase of that better than 5 degree.

Key words:frequency characteristic test; digital control; zero intermediate frequency orthogonal demodulation; quality factor

doi:EEACC:7210B; 725010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.031

收稿日期:2014－10－20修改日期:2014－11－14

中圖分類號:TN872

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0863－05

項目來源:國家自然科學基金項目(60871041)