基于Nios II和“北斗”一代的气象灾害预警信息接收终端设计✴

文斌，李佶学，赵建，陈爱萍

基于Nios II和“北斗”一代的气象灾害预警信息接收终端设计✴

文斌，李佶学，赵建，陈爱萍

（成都信息工程学院通信工程学院，成都610225）

为了解决广大偏远山区气象灾害预警信息接收的“盲区”和供电困难的问题，提出一种基于Nios II和“北斗”一代的气象灾害预警信息接收终端设计方案。采用Altera公司Cyclone系列的EP1C12Q240和一体化的“北斗”一代射频单收芯片RNC2410，有效降低了终端的成本、体积与功耗。同时利用Nios II软核处理器，通过软件设计实现终端正确接收预警信息和报警。该方法已成功运用于山区洪灾与泥石流频发地区预警信息的接收。

“北斗”一代；灾害预警；信息接收终端；Nios II；低功耗

1 引言

偏远的农村地区不仅是气象预警信息发布的“盲区”，也是灾害防御的薄弱地区。在信息接收终端设计时，信息的准确接收、终端的使用成本、电源供给都是主要考虑的问题。目前，主要有以下两种解决方案。一是利用无线广播信号传送语音和文字信息，接收终端不仅有声音报警，还有文字显示。这种方案终端的体积小，价格低，可直接用干电池供电，几乎每个农家都有能力配备。但远距离的无线广播信号采用AM调制技术的长波、中波或短波的形式来传播，这种传播信号的方式很容易受到昼夜、季节、太阳黑子运动等因素的干扰，造成信号幅度的改变。因此，在山区此方案接收信息的稳定性、可靠性得不到很好的保证。二是利用无线移动通信网络，通过手机短信平台进行预警信息发布，这种方案使用成本和发布成本都是最低廉的一种，但这种方案只适合在人口稠密地区使用，在偏远的山区依然存在很大的信号“盲区”。以上两种方案虽然很好地解决了电源供给和使用成本的问题，但应用范围严格受到限制，同时也不能完全解决山区预警信号有效覆盖的问题。

针对上述问题，本文提出一种基于Nios II和“北斗”一代的气象灾害预警信息接收终端设计方案。该方案以“北斗”一代系统作为气象灾害预警信息的发布平台，用户通过“北斗”一代信息接收终端接收预警信息［1］。终端硬件采用逻辑密度高的Cyclone II系列EP1C12Q240芯片和“北斗”射频单收芯片RNC2410为主进行设计，其终端功耗低、体积小、成本低，有利于大面积推广使用。与现有的方案相比，本方案具有如下优点：第一，利用“北斗”通信覆盖能力强的特点，有效解决了预警信息发布覆盖“盲区”；第二，利用“北斗”系统的健壮性、可靠性，在灾害发生后，“北斗”信息接收终端又可作为其他预警系统的辅助系统；第三，硬件设计采用Nios II软核处理器的设计方案，大大降低了终端的体积与功耗，采用太阳能供电，有效解决了电源供给问题，同时也降低了终端的成本，为气象灾害预警信息及时进村入户创造了有利条件。

2 终端硬件实现原理

利用“北斗”一代系统设计的预警信息接收终端，由于应用环境和成本的考虑终端只有信息接收功能，没有发送功能，这样降低了终端所需的功耗和FPGA所需的逻辑门级数。其终端设计采用RN2410和EP1C12Q240为核心的双芯片方案。通过EP1C12Q240内置Nios II软核处理器和移植UC／OS -II操作系统完成应用程序的设计。应用程序主要实现预警信息的接收、信息的存储、显示、音频报警、电源管理、硬件监视等功能。

终端硬件实现原理如图1所示。在图1中，RNC2410为“北斗”一代射频单收芯片，采用标准的SPI接口输出数据。芯片集成了接收通道所有模块和频率综合器。接收通道既可以提供模拟信号输出，又可以提供ADC采样后的量化信号输出，并可提供采样时钟输出，采用片外少量的外围器件就可以实现“北斗”用户机的接收功能。EP1C12Q240为核心处理芯片，它主要完成的功能包括卫星信号的二维捕获、数据解调、载波相位与码相位的跟踪，以及输入、输出控制等［2-3］。

图1 终端硬件组成原理图Fig.1 The general structure of terminal hardware

EP1C12Q240芯片中，除SIM卡接口电路通过硬件描述语言自己编写外，其余接口电路的IP核均来自于SOPC Builder软件。其中配置芯片接口采用ASMI EPCS4系列，与之相连的Flash存储空间中有如下内容：一部分是FPGA的配置文件，另一部分作为常规程序存储器用。采用此方案可以省去片外专门的程序存储Flash，充分利用了配置芯片的资源［4-5］。

3 软件设计

3.1数据传输协议

气象灾害预警信息接收终端数据传输协议如图2所示，系统帧头数据、发送目的地址、系统帧尾数据均为“北斗”系统所要求的数据段，严格按照其通信协议要求组织数据。帧号+数据类型占一个字节宽度，帧号占高4位，编号为0～15。数据类型占低4位，可根据需要对数据进行分类［6］。

图2 数据传输协议Fig.2 Data transport protocol

3.2终端的软件设计

软件设计采用UC／OS-II实时多任务操作系统。根据Altera公司提供的操作系统移植文档，很容易将UC／OS-II移入Nios II处理器中。在UCOS操作系统中，主要设计有以下几个任务［7-8］：一是通信链路监视任务，通过定时接收“北斗”系统的广播信息来判定通信链路是否正常，如在规定的时间内没有收到“北斗”广播信息就向用户发出终端硬件有错的报警；二是报警输出任务，当收到气象预警信息后，根据不同的情况进行报警；三是数据接收处理任务，对接收到的数据进行解帧，得到原始的数据流；四是显示任务，完成人机界面功能；五是系统监控任务，对整个系统的工作状态进行监视。

3.2.1终端通信链路工作状态的监视程序流程

“北斗”一代系统广播信息每31.25 ms一帧，连续不断地发送。一条完整的广播信息被安排在1 min内，帧号从1～1 920内不同的号段内重复发送。在接收终端，每分钟都能正确收到一条完整的广播信息。如果终端在连续2 min内没有正确收到广播信息，说明终端的通信功能不正常，采用声音向用户报警。同时，终端正常工作时，具有语音报时功能，用户根据不同的声音来判断终端的工作状况，其广播信息接收及报警程序实现算法流程如图3所示。

图3 通信链路工作状态监视程序流程Fig.3 Flowchart of communications link work state monitor process

3.2.2气象预警信息接收数据程序流程

经终端天线收到的“北斗”信号送入40 dB的低噪放大器放大，然后送入射频接收芯片RNC2410进行下变频处理转换成中频信号，再经A／D量化后输出送入EP1C12Q240中完成捕获、跟踪、解调、帧同步等功能，提取通信电文，然后将电文送入Nios II中进行数据解帧得到气象预警信息。根据预警信息定义的规则进行报警与显示，其程序实现算法如图4所示。

图4 信息接收数据程序流程Fig.4 The program flow of warning information receiving

4 测试

报警终端主要完成灾害预警信息的接收、通信链路监视、报警等主要功能。为了便于测试与分析，在终端中运行一个测试程序。在测试过程中将“北斗”信号快捕失败、接收解算错误与定时时间到没有收到数据均作数据丢失处理。为了便于对比分析，在另一个“北斗”发送终端中每30 s发送“111111111111111111111111”和“今天天气真好”两帧数据，并且交替循环发送。在测试程序中统计接收到的数据的总帧数、丢失数据的总帧数等相关参数，并通过串行口发送给PC机。同时，数据发送终端与接收终端的时钟均与“北斗”时钟同步。

在PC机中运行一个监视程序显示接收终端数据接收情况，运行界面如图5所示，其数据接收区为预警信息接收内容。卫星信号强度指示条最多为4条，只要信号强度指示有1条以上都能进行通信。右边为接收情况统计结果。为了测试终端在接收信号强弱不同的情况下数据发送的情况，通过改变终端接收天线的位置和方向进行测试，其测试结果如表1所示。

图5 数据接收监视结果Fig.5 The monitoring result of data receiving

表1 不同信号强度下网关通信情况Table 1 The communication state of gateway in different signal strength

从表1中可看出，在不同信号强度下，经过12 h的连续测试，当接收信号强度在2个指示条以上时，均能达到98%的成功率；当只有1个信号指示条时，如有信号指示条闪断表明接收信号不稳定，数据丢失和CRC检验错误的帧数增加，其数据接收的成功率就降低了。

5 结论

通过长时间的测试证明终端信息接收是稳定、可靠的。尽管终端只收不发，但利用“北斗”系统定时发送广播信号，可正确监视终端通信链路和工作状态是否稳定，一旦发现终端不能正确接收“北斗”信号就及时报警。为了加大数据发送的成功率要求发送信息每次都用“北斗”系统定义的短帧发送，而不用其定义的超帧进行发送。终端采用太阳能电池供电，成本较低，可在山村以组为单位进行大面积布点，为国家提出的到2015年气象灾害预警信息公众覆盖率达到90%以上，到2020年，建成功能齐全、科学高效、覆盖城乡和沿海的气象灾害监测预警系统，基本消除预警信息发布“盲区”的目标打下坚实的基础。

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WEN Bin was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1970.He received the M.S.degree in 2007.He is now an associate professor.His research concerns development of communication product and embedded product.

Email：bwen＠cuit.edu.cn

李佶学（1991—），男，四川眉山人，主要从事无线与移动通信研发；

LI Ji-xue was born in Meishan，Sichuan Province，in 1991.His research concerns R＆D of wireless and mobile communication product.

赵建（1979—），男，四川成都人，2009年获硕士学位，现为讲师，主要从事通信产品以及嵌入式产品的开发；

ZHAO Jian was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1979. He received the M.S.degree in 2009.He is now a lecturer.His research concerns development of communication product and embedded product.

陈爱萍（1964—），女，四川成都人，1988年获硕士学位，现为副教授，主要研究方向为无线通信与射频技术。

CHEN Ai-ping was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1964.She received the M.S.degree in 1988.She is now an associate professor.Her research interests include wireless communication and radio frequency technology.

Design of Early-warning Information Receiving Terminal Based on Nios II and Beidou First Generation System

WEN Bin，LI Ji-xue，ZHAO Jian，CHEN Ai-ping
（Department of Communication Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China）

Based on Nios II and Beidou first generation system，a meteorological disaster warning information receiving terminal design scheme is proposed to deal with problems of receiving early-warning information in the majority of remote mountain where information receiving blind spot exists and power supply is difficult.By adopting FPGA EP1C12Q240 and RNC2410 RF chip，the cost，size and power consumption of the warning information receiving terminal hardware are reduced.At the same time，by using Nios II soft-core processor，this terminal can realize correct receiving early-warning information and alarm through software design.This method has been successfully applied in receiving early-warning information in mountain floods and debris flow-prone areas.

Beidou first generation system；disaster warning；information receiving terminal；Nios II；low power consumption

The Natural Science and Technological Development Fund of Chengdu University of Information Technology（CSRF200805）

TN967.1；TN802

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.05.036

文斌（1970—），男，四川成都人，2007年获硕士学位，现为副教授，主要从事通信产品以及嵌入式产品的开发；

1001-893X（2012）05-0786-04

2011-09-28；

2012-02-21

成都信息工程学院自然科学与技术发展基金资助项目（CSRF200805）