于铁军,刘文怡,王红亮
(中北大学电子测试技术国防重点实验室,太原 030051)
GPS信标机系统的设计与实现*
于铁军,刘文怡,王红亮*
(中北大学电子测试技术国防重点实验室,太原 030051)
摘要:介绍一种利用GPS定位,实现对目标无线定位任务的GPS信标机系统。采用在待测目标上放置信号发送装置,在地面或者其他位置放置信号接收装置,接收装置接收发送装置发送的定位信息,实现定位的目的。经实验得出,信号发送装置的定位信息:经度111°44.72018′,纬度39°04.18254′,海拔高度1 412 m;信号接收装置的定位信息:经度111°44.73089′,纬度39°04.16502′,海拔高度1 333 m。结果表明,能准确定位待测目标和接收装置的定位信息(包括时间、经度、纬度和海拔高度等),是一种很好的无线定位信标机系统。
关键词:电路设计;无线通信;信标机;GPS定位;单片机
目前,信标机发展分2个方向:(1)趋于大功率、大体积应用于船舶定位的信标机;(2)趋于小功率、小体积应用于小型物体定位的信标机[1]。在军事领域,每种导弹的设计,需要进行数次实验,通过在导弹弹体上绑定记录器,记录导弹在飞行时的状态,查看记录器回传的数据,完成对导弹的测试和改进[2]。但是每次记录器的回收,都浪费大量的人力和财力。针对记录器的回收问题,本文介绍了一种小功率、小体积GPS信标机。首先介绍系统的主要组成部分和工作流程,然后通过硬件方面说明系统的基本来构造,再从软件方面说明系统的设计方法,最后通过无人机搭载测试,证明设计的GPS信标机结果可靠,可在实际中应用。
无线GPS信标机系统主要由信号发送装置和信号接收装置组成。信号发送装置由GPS接收模块、数据选通模块、数据处理模块、数据发送模块和电源模块组成。信号接收装置由信号接收装置、GPS接收模块、数据选通模块、数据处理模块、USB通信模块和电源模块组成。如图1所示。
系统工作流程:信号发送装置的GPS接收模块接收卫星发射的GPS原始数据,数据选通模块接收GPS原始数据,然后将GPS原始数据发送到数据处理模块,数据处理模块从GPS原始数据解析出时间、经度、纬度和海拔高度信息并且编帧,通过信号发送装置将数据发送,通过射频无线网络传输;信号接收装置接收信号发送装置发送的数据,通过数据选通模块传输到数据处理模块,信号接收装置自身的GPS接收模块接收本机的GPS原始数据同样通过数据选通模块传输到数据处理模块,数据处理模块将GPS原始数据中的时间、经度、纬度和海拔高度信息提取并与GPS发送装置发送的定位信息编辑成一帧,通过USB通信模块发送到上位机中。上位机对定位信息进行实时显示。如图1所示。
图1 无线GPS定位系统整体框图
2.1信号发送装置硬件电路设计
GPS电路分为以下5部分:GPS接收模块、数据选通模块、数据处理模块、数据发送模块和电源模块。
2.1.1GPS接收模块
图2 GPS接收模块
GPS接收模块分为数据接收部分和数据处理部分[3]。数据接收部分由天线、调理电路和解调电路组成;数据处理部分由数据解析电路组成。卫星发射频率有1 575.42 MHz的L1波段和1 227.60 MHz的L2波段2种频率[4]。本系统接收L1波段的GPS数据,通过调理电路对数据进行处理,调理后的GPS信号通过解调电路进行相位解调,得出导电电文。数据解析电路从导电电文中,解析出定位信息。通过串口将定位信息传输到数据选通电路。如图2所示。
2.1.2数据选通模块
数据选通模块由CPLD芯片及其外围电路组成。CPLD采用XILINX公司的型号为XCR3128芯片,有100个管脚,满足本系统使用。数据选通模块负责对GPS进行选通。如果不需要接收GPS数据,数据选通模块关闭数据处理模块和GPS接收模块的连接。由于CPLD内部容量很小,不能完成数据的存储和处理。从功能上看,由于单片机只有2个串口,出现串口不够用的问题,因此使用CPLD作为数据选通,防止发生数据阻塞。
2.1.3数据处理模块
数据处理模块由一片单片机及其外围电路组成。单片机采用型号为C8051F040芯片,有2个串口,可使用频率为22.118 4 MHz[5-6](由于22.118 4 MHz是GPS模块传输频率(9 600 Hz和115 200 Hz)的整数倍,计算准确)。单片机主要功能为:接收数据并且判断接收数据是否有效;解析数据,从GPS数据中解析出时间、经度、纬度等信息;控制GPS接收模块的输出频率,满足上位机的需要。此模块是信号发送装置的核心。
2.1.4无线发送模块
图3 FSK调制原理图
无线发送模块采用无线数字传输电台。该模块有操作简单、传输距离远、体积较小、功耗低等优点[7]。该模块主要接口为串口收发接口、下载固件所用的相关接口和电源接口。无线传输需要将单片机RX0和TX0引脚接到无线传输模块的发送和接口端即可完成通信,不需要其他的操作,使用方便;而且传输距离远,理想状态下,传输距离为64 km;实际测试,在非常空旷的环境下,距离40 km,不会出现丢失数据的情况,接收数据良好,当距离大于45 km时,接收数据断断续续,会出现丢失数据情况。该模块体积较小,只有一块手机电池大小;功耗低,发送数据时,最大功率为1 W,休眠状态,功率为100 mW~150 mW,由于信号发送装置是移动电源供电,功耗低,可以保证发送模块长时间连续工作。该模块分为3个部分:控制部分、数据发送部分和数据接收部分。无线数字传输电台采用FSK(频移键控)调制方式,如图3所示。控制部分主要产生0或者1的数字信号,通过控制数据发送的开关s(t),输出不同频率的载波(f1和f2)。完成调制[8]。调制波形示例,如图4所示。
图4 FSK调制波形示例
2.2信号发送装置硬件电路设计
信号接收装置由以下6个部分GPS定位模块、数据接收模块、数据选通模块、数据处理模块、USB通信模块和电源模块。
2.2.1GPS定位模块
在接收装置中,GPS定位模块主要负责接收装置的定位。并将数据传输到数据选通模块。其基本结构和发送装置中的GPS定位模块一样。
2.2.2数据接收模块
数据接收模块接收数据主要接收发送装置发送的定位信息,将数据传输到CPLD中。发送模块采用FSK方式调制,也采用相应的方式解调,FSK接收部分接收原理:接收的信号首先通过带通滤波器,选择符合要求的频率信号,再通过包络检波器,将载波分离出来,最后通过抽样判决器,得出二进制数[9]。如图5所示。
图5 数据接收原理图
2.2.3数据选通模块
在接收模块中,数据选通模块主要任务:是数据接收模块和数据处理模块的桥梁;数据处理模块通过数据选通模块与USB接口模块连接。其硬件电路和发送装置的数据选通模块一样。
2.2.4数据处理模块
接收模块的数据处理模块硬件电路与发送模块的数据处理模块基本一样。其主要功能为有:①接收本机GPS数据,解析其中的时间、经度、纬度和海拔高度;②接收发送装置发送的定位信息,并且解析其中的时间、经度、纬度和海拔高度;③将解析出的数据打包,加上帧头和帧计数,并且通过USB通信模块将数据传输到上位机中。
2.2.5USB通信模块
USB通信模块并没有和单片机直接相连,该模块通过与数据选通模块完成上位机和接收装置的单片机通信。该模块采用芯片型号为FAT245,可以把并行数据转换为USB数据,完成上位机和接收模块通信的目的,采用USB供电节省接收装置中的电量消耗,出厂时FAT245内部已经下载固件程序,在上位机安装相应的驱动,即可完成上位机和接收装置的通信。
软件设计分为3个部分:信号发送装置程序设计、信号接收装置程序设计、上位机程序设计。
3.1信号发送装置程序设计
由于数据处理模块是信号发送装置的核心,因此主要说明数据处理模块的程序,其具体的任务:初始化整个接收装置,选通GPS数据,接收GPS传输的定位信息,解析出时间、经度、纬度和海拔高度,将数据打包,通过数据发送模块发送数据。如果接收到接收装置发送的数据,将按其数据完成具体的任务,例如关闭GPS接收数据、改变GPS输出频率等。
具体流程如下:如图6所示,初始化接收装置,控制CPLD选通GPS定位模块接口,接收GPS数据。判断GPS帧头,接收数据,从定位信息中解析出时间、经度、纬度、海拔高度,并判断数据是否有效。如果接收数据无效、清空数据缓存,重新接受并判断数据是否有效。如果数据有效,打包数据,并与接收模块进行通信,发送打包的数据,查看并处理接收装置命令。重新开始或者结束发送。
图6 信号发送装置程序流程图
3.2信号接收装置程序设计
接收装置控制模块采用查询方式,通过访问各个通信接口的标志位,完成各个模块之间的通信,基本任务和接收装置差不多。
具体流程为:开始运行,并初始化。定义接收标志位flag,如果flag为1时,可以接收数据;如果flag为0时,不可以接收数据。查询串口0是否有数据,如果有,接收标志位flag为0,接收数据,通过USB接口将数据发送到上位机中,发送完成,将接收标志位flag改为1。如果没有,将判断串口1是否有数据,如果有,判断是否为帧头,如果不是,返回到串口1,如果为帧头,解析数据,判断数据是否有效,如果无效返回到串口1,如果有效,通过USB接口将数据发送到上位机中。如果串口1没有数据,判断并口是否有数据,如果有接收指令,并且处理指令,如果否,返回到串口0或者结束。如图7所示。
图7 信号接收装置程序流程图
3.3上位机程序设计
利用VB软件,编写上位机软件。利用实现数据的接收、查看、回放数据和发送数据等功能。如图8所示,第1栏为菜单栏,分别为连接设备。开始接受、停止接收、发送数据、数据回放和退出。界面的左面为高度曲线和地图;右面为定位信息和操作信息。
图8 上位机界面
将信号发送装置挂载到某无人机上,信号接收装置放在地面,并与上位机相连,完成实现检测的目的。
测试1:测试条件:发送装置接收数据无效,接收装置接收本机定位信息有效。
预测结果:GPS数据(发送装置)无信息显示,GPS数据(接收装置)有数据显示,并且在高度曲线中,只有红线。
如图9所示,天上无定位到有效数据的结果,图的左边为高度曲线和地图,右边为天上定位信息和地面定位信息测试结果。当信号发送装置接收到GPS数据无效时,天上的定位信息和高度均无显示,在地图上不能看到定位信息的坐。信号接收装置接收到有效数据,定位出信号接收装置的位置,其经度为111°44.734 36′,纬度为39°04.116 76′,海拔高度为1 335 m。结果与预期一样。
图9 测试1结果
测试2:测试条件:发送装置接收数据有效,接收装置接收本机定位信息有效。
预测结果:GPS数据(发送装置)有信息显示,GPS数据(接收装置)有信息显示,并且在高度曲线中,既有红线,又有蓝线。
如图10所示,天上定位到有效数据的结果,图左面,地图找到相应的位置,地面与天上有相应的高度差,右面显示信号发送装置的定位信息,定位状态有效,经度为111°44.720 18′,纬度为39°04.182 54′,海拔高度为1 412 m;信号接收装置的定位信息为:经度为111°44.730 89′,纬度为39°04.165 02′,海拔高度为1 333 m。此时为无人机起飞状态。结果与预期一样。
图10 测试2结果
测试结果可以看出,本系统完全可以定位信号接收装置和信号发送装置。当信号发送装置无效时,不能接收数据。当数据有效时,数据能接收并且显示。
本文针对记录器的回收问题,设计了一种小功率、小体积的GPS信标机,GPS信标机分为信号发送装置和信号接收装置,通过接收装置接收发送装置发送的数据,实现待测物体的定位,并通过上位机软件分析出接收装置和发送装置之间的位置情况,通过实验测试,完成了定位的目的,本设计有很好的实用性。
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于铁军(1987-),男,汉族,内蒙古开鲁县人,中北大学硕士生,研究领域为测试计量技术及仪器,80900942@qq.com;
刘文怡(1970-),男,汉族,山西临汾人,中北大学教授,研究领域为测试计量技术及仪器,136555872@qq.com;
王红亮(1978-),男,汉族,河南南阳人,中北大学博士,副教授,研究领域为测试计量技术及仪器,80845007@qq.com。
DesignandAccomplishofaGPSBeaconing*
YUTiejun,LIUWenyi,WANGHongliang*
(Nation Defense Science and Technology Laboratory of Electronic Testing Technology,The University of China,Taiyuan 030051,China)
Abstract:A GPS Beaconing is introducted,which make use of GPS to realize positions to target wireless.It is adop-tion that signal sending device is installed on the located device,and signal receiving device is placed on the ground.Signal receiving device receives the messages of realizing positions which sends out from signal sending device to realize position.Through the experiment,the positioning information of signal sending device:longitude 111°44.72018′,latitude39°4.18254′,altitude 1 412 m;positioning information of signal receiving device:longitude 111°44.73089′,latitude 39°4.16502′,altitude 1 333 m.Pass an experiment the result can see that the messages of realizing positions(included longitude,latitude and height above sea level and so on)on target and receiver are accurate.It is a well beacon system of wireless location.
Key words:circuit design;wireless communications;beaconing;GPS;MCU
doi:EEACC:6250F10.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.024
中图分类号:TP274.2
文献标识码:A
文章编号:1005-9490(2014)04-0690-05
收稿日期:2013-08-20修改日期:2013-09-12
项目来源:航天某院预研型项目