基于两路GPS信息接收和切换的无线信标机设计*

郑俊华，谭秋林*，秦小龙

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051)



基于两路GPS信息接收和切换的无线信标机设计*

郑俊华1，2，谭秋林1，2*，秦小龙1，2

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051;
2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051)

摘要:通过对目前信标机的应用范围及国内外的发展状况进行研究，设计了一种基于两路GPS信息接收和切换的无线信标机。控制电路采用C8051F040单片机作为主控芯片，控制两路GPS模块的切换从而增加无线信标机的工作时间，提高定位精度并降低功耗。实验测得UTC时间为11:37:30，北纬38.013 6°，东经112.446°，海拔高度为815.9 m。多次测量结果表明，该系统能实现定位数据的接收与转发并将定位信息通过上位机进行显示。

关键词:电路与系统;信标机设计;无线通信;两路GPS定位;低功耗

信标机是一种装载在目标物体上，能够发射自身地理位置信息，如自身经纬度、海拔高度等地理位置的电子设备［1］。因此信标机被广泛应用在航空、航天、航海、气象、手持机、弹载设备、交通车辆导航中。传统的目标物回收采用人工搜索方式，其费时费力且易造成目标丢失。

针对上述问题，本文提出了一种无线信标机的设计方案。系统包含无线信标发射机、地面接收设备和无人机搜索设备。采用GPS定位的方式，发射机在落地过程中发送实时获取到的GPS定位信息，并将信号发送给地面接收设备和空中的无人机搜索设备，从而实现对目标物体的快速找寻。

1　总体方案设计

系统总体设计方案如下:在目标物体下落到一定高度时，高度计给发射机发送一个启动信号，此时信标机开始搜星并将定位结果进行发送，空中飞行的无人机进行信号搜索并将接收的信息一方面发送到地面接收网络，一方面进行存储。地面搜索网络在预计区域内进行不同地面的信号搜索并接收无人机发送的信号。系统总体框图如图1所示。

图1　系统总体框图

2　系统硬件设计

信标机的硬件设计框图如图2所示。硬件主要由5部分组成:GPS接收模块，信标机控制单元，无线传输模块，供电部分，接收转发单元组成。

图2　硬件电路框图

2.1GPS接收模块

在GPS接收模块中，采用U-BLOX公司的GPS导航模块MAX-6Q和东方联星的CNS50-GPS定位模块。MAX6-Q模块的串口直接与单片机的串口连接从而实现数据接收。CNS50-GPS模块提供了四个数据输出接口与NMEA和二进制两种数据格式，丰富了设计的灵活性，我们通过两路GPS电路的切换从而接收MAX6-Q的NMEA数据和CNS50-GPS模块的二进制数据。

当需要实验测试数据对比时采用两路GPS模块在同一时间工作。当需要低功耗时也可以在一定时间点内切换每个GPS模块使其独立工作。CPLD控制芯片通过与两路GPS模块连接作为数据输入并采用一路输出端口与单片机的串口连接实现两路GPS数据合流的功能使两路GPS模块同时工作时对数据进行分时接收。单片机通过控制GPS模块的供电电路并通过I/O口控制CPLD使其关闭对应的通道，实现单个GPS模块工作的切换。两路GPS电路如图3所示。

图3　两路GPS电路模块

2.2信标机控制单元模块

考虑到系统的功耗以及GPS数据长度和传输速率，该模块采用CYGNAL公司的C8051F040单片机作为控制电路的核心器件，其控制GPS模块的供电部分，灵活切换两路GPS的工作，从而降低系统的功耗。单片机控制部分通过串口读取GPS模块的信息或者对GPS模块的数据传输格式、数据更新率等参数进行更改。该模块通过串口与射频模块相连。电路图如图4所示。

图4　控制模块

2.3无线传输模块

由于存储器一般会降落在较偏远地方，相比采用GPRS等需要基站的通信方式采用直接点对点通信方式具有节约成本并与操作简单等优点。由于扩频通信方式具有较强的抗多径性、抗干扰性、频谱利用率高和多址通信等优点成为现代通信中一种独特的通信方式并被广泛应用在军事系统与通信网络中［5］。所以我们将射频模块直接与单片机相连进行数据传输并在无线收发端，采用扩频的方式进行通信。

2.4电源供电模块

由于存储器的找寻过程需要一段时间为保证在找寻过程中能实时传送定位信息，需要电池提供长时间的电量。信标发射机作为一个可独自工作的设备，对其自带电源的体积、重量、容量方面有一定的要求。对目前市场上存在的镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、铅酸电池等电池进行各项性能比较发现锂离子电池是性能相对较好的电池［6］。所以我们采用锂电池作为供电电源，可以持续工作5个小时左右满足信标机的要求。

电源供电部分为整个系统提供能量，但由于各个模块需要的电压各不相同所以我们需要采用电平转换芯片将5 V电压转成3.3 V并增加稳压电路，从而满足不同模块对5 V与3.3 V电压的需求。

2.5接收与转发模块

在信标机的接收部分，我们采用与发射部分相同的数传模块，通过对射频模块进行参数设计，达到收发同步。通过单片机对后级电路进行处理，对接收的数据进行“串－并口”转换，形成8位格式数据并通过串口传输到电脑，由串口调试助手或电脑上的地图软件显示当前位置。

3　系统软件设计

本系统中设计的发射模块一方面实现自身的定位另一方面将定位信息发送给地面接收机和无人搜索机，无人机将接收到的地理信息进行存储并转发给地面接收网络，地面接收机接收无人机和发射机的信号，并与他们进行通讯。GPS模块通过搜索卫星实现定位，当搜索到3颗以上的卫星时表明定位成功［7］，并将定位信息传送给接收部分，接收部分通过判断发射机发送的信息中的标志位，可以判断定位是否成功。当接收到定位数据后，接收机对接收到的数据进行处理并显示在上位机上，实现对定位信息的监控。当持续很长时间还是搜索不到3颗以上的卫星时，发射机只能向接收网络发送定位未成功信号，此时我们只能通过判断信号强弱及方向对寻找目标进行搜索。软件流程图如图5所示。

图5　软件流程图

4　测试结果与分析

为验证本文设计的信标机的性能，在校园内进行测试并对测量结果进行分析。对发射机输出的信号使用频谱分析仪在频域内进行测试，测试结果如图6所示。从测试结果得出发射功率为864 mW。使用上位机显示软件U-center对MAX-6Q模块接收到的数据进行显示，显示结果如图7所示。从图7可以得到信标机的速度，海拔高度，经纬度，定位卫星数量，当前时间日期等信息。可通过软件设置显示需要的信息NMEA0183［8，9］协议的MYMGPRMC数据格式，显示结果如图8所示。从图8可以看出当前的时间是UTC时间11:37:30，北纬38.013 6°，东经112.446°，海拔高度为815.9 m。

图6　发射机输出信号

图7　U-center软件显示的位置信息

图8　需要的定位信息

5　结束语

基于两路GPS信息接收和切换的无线信标机，通过两路GPS的切换不仅提高了定位精度而且降低了功耗。该系统通过单点通讯的方式对信号进行接收与转发，结构简单并克服了建立无线接收发送基站的问题，且成本较低［10］。经过实地实验表明该系统稳定可靠，GPS数据更新率为5 Hz，能够满足要求，具有广泛的应用前景。

参考文献:

［1］吴志宏，翟成瑞，王洪亮.基于单片机的信标机系统设计［J］.电视技术，2013，37(15):44－47.

［2］Yifeng Zhou，Louise Lamont.A Mobile Beacon Based Localization Approach for Wireless Sensor Network Applications［C］//The Fifth International Conference on Sensor Technologies and Applications，2011.

［3］杨昂.高动态环境下多普勒频移估计技术研究［D］.西安:西安电子科技大学，2011.

［4］于铁军，刘文怡，王红亮，等.GPS信标机系统的设计与实现［J］.电子器件，2014(4):690－694.DOI:10.3969/j.issn.1005－9490.2014.04.024.

［5］李俊.PSK调制方式的无线信标机关键技术研究［D］.太原:中北大学，2011.

［6］Zhenfu Cao，Gennian Ge，Ying Miao.Combinatorial Characterizations of One-Coincidence Frequence-Hopping Sequences［J］.Des Codes Crypt，2006，41:177－184.

［7］肖远亮.NMEA-0183数据标准在GPS技术中的应用［J］.物探装备，2003，13(2):127－133.

［8］王嘉鑫.一种适用于水上漂浮目标的北斗信标机［J］.舰船科学技术，2014，36(2):108－111.

［9］孙景涛，胡永红，楚亚菲，等.一种新型信标机的设计与实现［J］.计算机测量与控制，2007，15(3):396－398.

［10］刘志远，周晓东，王新，等.基于AF和UKF联合估计技术的高动态GPS信号捕获方法研究［J］.电子器件，2008，31(6):1907－1909.

郑俊华(1987－)，女，汉族，山西省忻州人，现为中北大学在读硕士研究生，研究方向为电路与系统，1194012665@qq.com;

谭秋林(1979－)，男，湖南衡南人，博士，教授，中北大学学术带头人，中国微米纳米技术学会高级会员，国际重要学术期刊Sensors and Actuators B、Optics Communications、Sensors的通讯审稿人。研究方向为光学气体传感器及检测技术、无线无源微纳传感器及微系统集成技术、无线传感器网络及射频技术、数据采集及存储技术。

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

中图分类号:TN872

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015)04－0863－05

项目来源:国家自然科学基金项目(60871041)