多SIM卡復(fù)用的“北斗”通信終端設(shè)計(jì)

(成都信息工程學(xué)院，成都 610225)

1 引 言

“北斗”系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的第一代區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)，可提供定位、授時(shí)和通信服務(wù)。作為軍民兩用系統(tǒng)，“北斗”系統(tǒng)提供民用通信服務(wù)時(shí)，通信頻度受到限制，在SIM卡的一個(gè)頻度內(nèi)，可傳送數(shù)據(jù)的比特?cái)?shù)也受到限制。因此，如何對“北斗”終端進(jìn)行改進(jìn)，使其支持較大的文件或圖片數(shù)傳輸，更好地滿足不同行業(yè)的需求，對“北斗”系統(tǒng)的民用推廣非常重要。

在“北斗”終端上完成較大的文件或圖片數(shù)據(jù)傳輸，目前常用的方法是用多個(gè)硬件終端將一個(gè)數(shù)據(jù)文本分段發(fā)送，接收方再將分段數(shù)據(jù)重組形成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)文本。這種方法用多個(gè)硬件終端同傳一個(gè)數(shù)據(jù)文本，其相互間的同步很難協(xié)調(diào)；在接收端，不同的數(shù)據(jù)分段分時(shí)到來，到達(dá)的延時(shí)各不相同，其重組算法的實(shí)現(xiàn)難度很大，工作效率也不高。另一方面，這種方法增加了使用成本，其維護(hù)和管理的難度也很大。

針對上述問題，本文提出一個(gè)新的設(shè)計(jì)方案：將“北斗”終端的SIM卡由1張?jiān)黾拥絥張，依次使用不同的SIM卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)傳輸需求，選擇合適的n值及SIM卡的通信頻度來完成文件或圖片數(shù)據(jù)的傳輸。與現(xiàn)有的方案相比，本方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：其應(yīng)用軟件的穩(wěn)定性、可維護(hù)性大大提高；分片數(shù)據(jù)接收時(shí)延可控，分片編號連續(xù)，易于重組；同時(shí)硬件成本沒有增加，而單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸量成倍增加。

2 總體設(shè)計(jì)方案

“北斗一代”通信定位終端一般由射頻處理、FPGA+DSP基帶信號處理等模塊組成。射頻模塊完成射頻信號的收、發(fā)；FPGA主要完成數(shù)字下變頻、本地GPS擴(kuò)頻碼產(chǎn)生、時(shí)基信號產(chǎn)生、GPS幀同步信號產(chǎn)生和幀數(shù)據(jù)解調(diào)等功能；DSP主要完成GPS幀數(shù)據(jù)的讀取和電文解析、GPS解算和速度求解、GPS授時(shí)等功能[1-2]。

鑒于ARM9豐富的內(nèi)部和外部接口資源，本方案基帶信號處理部分采用FPGA+ARM9，同時(shí)將SIM卡的數(shù)量增加至多張。在ARM9中，移植UCOS操作系統(tǒng)，通過程序控制n張SIM卡協(xié)同完成數(shù)據(jù)發(fā)送工作。其終端硬件組成原理如圖1所示。

圖1 終端硬件的組成原理Fig.1 The general structure of terminal hardware

圖1中，設(shè)每個(gè)SIM卡的通信頻度為Ts、通信量為Mbit、通信等級為d，當(dāng)終端上只有一張SIM卡時(shí)，其通信的波特率為B=M/T。若n張SIM卡在Ts內(nèi)正好都完成一次數(shù)據(jù)傳送，則終端的數(shù)據(jù)傳輸波特率B=M×n/T，其中M、T由SIM卡的通信等級d限制，n由FPGA的門級數(shù)和SIM卡的通信頻度T確定。通過公式可以看出，在同種SIM卡的基礎(chǔ)上，n張SIM卡終端的通信速率是一張SIM卡的n倍。

3 終端的數(shù)據(jù)通信協(xié)議

在制定數(shù)據(jù)通信協(xié)議時(shí)，要充分考慮到“北斗”數(shù)據(jù)傳輸速率較低的現(xiàn)狀，盡量不要增加額外的功能數(shù)據(jù)段，要充分利用“北斗”系統(tǒng)所提供的通信協(xié)議。

3.1 發(fā)送端數(shù)據(jù)傳送協(xié)議

圖2為數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議，其系統(tǒng)幀頭數(shù)據(jù)、發(fā)送目的地址、系統(tǒng)幀尾數(shù)據(jù)均為“北斗”系統(tǒng)所要求的數(shù)據(jù)段，應(yīng)嚴(yán)格按照其通信協(xié)議要求組織數(shù)據(jù)。在此協(xié)議中，幀號+數(shù)據(jù)類型占一個(gè)字節(jié)寬度，DATA為要發(fā)送的數(shù)據(jù)，其總的比特?cái)?shù)最大為M-8，8為幀號+數(shù)據(jù)類型占用去的比特?cái)?shù)。

幀號占高4位，編號為0～15；數(shù)據(jù)類型占低4位，可根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。

系統(tǒng)幀頭數(shù)據(jù)發(fā)送目的地址幀號+數(shù)據(jù)類型DATA系統(tǒng)幀尾數(shù)據(jù)

圖2 數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議
Fig.2 Data transmission protocol

3.2 接收端應(yīng)答協(xié)議

圖3為接收應(yīng)答協(xié)議。命令有00和FF兩種，00表示所收到的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，F(xiàn)F表示收到的數(shù)據(jù)正確。幀號為發(fā)送端對應(yīng)SIM卡所發(fā)數(shù)據(jù)幀的編號。

圖3 接收應(yīng)答協(xié)議
Fig.3 Answer protocol for receiver end

3.3 SIM卡復(fù)用控制協(xié)議

圖4為SIM卡復(fù)用控制協(xié)議，從協(xié)議中可以看出，當(dāng)一張SIM卡的信息寫入FPGA到下一張SIM卡的信息寫入FPGA總共有5 s的延時(shí)?！氨倍贰苯K端在衛(wèi)星信號失鎖時(shí)，能在1 s內(nèi)再次捕獲并鎖定到衛(wèi)星信號。FPGA寫入新的SIM卡信息并成功鎖定衛(wèi)星信號，第一個(gè)2 s延時(shí)足夠。通常情況下，組幀并發(fā)送一組數(shù)據(jù)整個(gè)過程平均耗時(shí)600 ms(此數(shù)據(jù)為測試所得)，協(xié)議中給定1.5 s的耗時(shí)。最后1.5 s的延時(shí)用來接收應(yīng)答信息并處理。

SIM1卡的信息寫到FPGA 延時(shí)2 s組幀并發(fā)送(耗時(shí)1.5 s)延時(shí)1.5 s……SIMn卡的信息寫到FPGA延時(shí)2 s組幀并發(fā)送(耗時(shí)1.5 s)延時(shí)1.5 s

圖4 SIM卡復(fù)用控制協(xié)議
Fig.4 SIM cards multiplexing control protocol

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，SIM卡的通信頻度T與卡的張數(shù)n應(yīng)滿足：5×n≤T。

4 終端軟硬件設(shè)計(jì)

4.1 終端硬件設(shè)計(jì)

基于ARM9微處理器的終端硬件采用模塊化設(shè)計(jì)[3]，主要分為射頻處理模塊、FPGA處理模塊、ARM處理模塊、電源處理模塊，其原理框圖如圖1所示。SIM卡與FGPA的連接原理如圖5所示。

圖5 SIM卡與FGPA的連接原理Fig.5 The general connection of SIM cards and FGPA

圖5中SIM卡的通信等級都相同，通信頻度T為30 s, 在一個(gè)通信頻度內(nèi)，每次的最大通信數(shù)據(jù)量M為680 bit。SIM卡數(shù)量n要滿足5×n≤T這個(gè)關(guān)系，所以n的值為6。與帶有一張SIM卡的通信終端比較，在同樣的通信頻度內(nèi)，其通信數(shù)據(jù)量為原來的6倍。

從圖5中還可看出，SIM卡的時(shí)鐘端由FPGA同一端口提供，其復(fù)位端、雙向數(shù)據(jù)線由FPGA不同端口提供。

4.2 終端軟件設(shè)計(jì)

終端應(yīng)用軟件在UCOS操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)[4-5]，根據(jù)“北斗”終端開機(jī)并鎖定衛(wèi)星信號的時(shí)間要小于2 s的技術(shù)要求，在ARM9中移植UCOS操作系統(tǒng)為其最佳選擇。

終端系統(tǒng)軟件主要包括以下幾個(gè)任務(wù)：串行通信任務(wù)，完成內(nèi)外數(shù)據(jù)的交換；“北斗”通信接收處理任務(wù)，完成數(shù)據(jù)的接收和解幀；SIM卡輪詢發(fā)送處理任務(wù)，完成數(shù)據(jù)的分割、組幀和發(fā)送；SIM卡讀寫處理任務(wù)，對SIM卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫，得到需要的數(shù)據(jù)信息；系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)，對整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，并報(bào)告終端的工作狀態(tài)。

4.2.1自動(dòng)確定分片數(shù)據(jù)長度的算法設(shè)計(jì)

在每一次分片數(shù)據(jù)的傳輸過程中，“北斗”系統(tǒng)采用超幀的形式進(jìn)行發(fā)送。在超幀接收過程中，只要有一個(gè)短幀出現(xiàn)錯(cuò)誤，整個(gè)分片數(shù)據(jù)就算發(fā)送失敗。如果分片數(shù)據(jù)長度縮短，短幀的數(shù)據(jù)量就減少，所以為了保證分片數(shù)據(jù)發(fā)送的成功率，其分片數(shù)據(jù)的長度也要隨衛(wèi)星信道質(zhì)量的改變而改變。

“北斗一代”共有6個(gè)通信信道，終端選擇兩個(gè)不在同一衛(wèi)星且能量較強(qiáng)的信道作為工作信道。分片數(shù)據(jù)的長度由定時(shí)偵測得到，其方法是定時(shí)監(jiān)測衛(wèi)星各信道能量，當(dāng)工作信道能量變化達(dá)到一定程度后，進(jìn)行信道切換，并發(fā)Length長度的數(shù)據(jù)給自己，根據(jù)接收的情況進(jìn)行長度設(shè)定。如長度自動(dòng)設(shè)定失敗，其分片數(shù)據(jù)長度為“北斗”系統(tǒng)默認(rèn)的發(fā)送數(shù)據(jù)的最短長度。其算法實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)如果Length=0，則長度自動(dòng)設(shè)定失敗，停止長度偵測；否則，給自己發(fā)Length長度的默認(rèn)數(shù)據(jù)；

(2)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)是否正確收到所發(fā)送的數(shù)據(jù)，如接收失敗，則發(fā)送次數(shù)加1，并轉(zhuǎn)步驟3；如接收成功，接收與發(fā)送次數(shù)均加1，轉(zhuǎn)步驟3；

(3)如果發(fā)送次數(shù)小于3轉(zhuǎn)步驟1；否則，轉(zhuǎn)步驟4；

(4)如果接收成功次數(shù)等于3，則長度自動(dòng)偵測成功，Length的值為分片數(shù)據(jù)的長度，停止長度偵測；如果接收成功的次數(shù)等于2，Length=2×(Length/3)，轉(zhuǎn)步驟1；如果接收成功次數(shù)等于1，Length=Length/2，轉(zhuǎn)步驟1；如果接收成功的次數(shù)等于0，Length=Length/3，轉(zhuǎn)步驟1。

4.2.2多SIM卡復(fù)用的程序?qū)崿F(xiàn)

本終端帶有6張同等級的SIM卡，程序通過對FPGA的控制每次選擇1張SIM卡工作。數(shù)據(jù)通過6張SIM卡循環(huán)發(fā)送，直到數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束為止，其程序?qū)崿F(xiàn)算法如圖6所示。

圖6 n張SIM卡復(fù)用的程序流程Fig.6 The flowchart of n SIM cards multiplexing

4.3 測試結(jié)果

在終端中運(yùn)行一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送測試程序[6]，完成1.98 kbyte大小的數(shù)據(jù)文件重復(fù)發(fā)送。發(fā)送測試程序流程如圖7所示。程序通過串口向PC機(jī)送出發(fā)送的總幀數(shù)、重發(fā)幀數(shù)以及發(fā)送成功的總幀數(shù)等參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)，可以算出發(fā)送的成功率以及發(fā)送1.98 kbyte大小的數(shù)據(jù)文件所需的平均時(shí)間。

圖7 發(fā)送測試程序流程圖Fig.7 The flowchart of sending a test program

測試平臺(tái)由帶有6張SIM卡的“北斗”終端通過串行口與一臺(tái)PC機(jī)相連，終端運(yùn)行發(fā)送測試程序，PC機(jī)運(yùn)行結(jié)果監(jiān)視程序，其監(jiān)視結(jié)果如圖8所示。圖8中，接收區(qū)顯示內(nèi)容為終端發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，右邊為終端通過串口送來的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。整個(gè)測試過程共用時(shí)76 363 s，由于停止測試時(shí)，最后一幀的應(yīng)答還沒有收到，所以原始數(shù)據(jù)總幀數(shù)比成功發(fā)送的總幀數(shù)少1幀。計(jì)入重發(fā)的數(shù)據(jù)幀，總計(jì)發(fā)送15 273幀，成功發(fā)送13 999幀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送的成功率為91.66%；1.98 kbyte大小的文件成功發(fā)送一遍的平均時(shí)間為136.35 s。如果用帶一張SIM卡的“北斗”終端來發(fā)送這個(gè)文本大約需要818.10 s的時(shí)間。可以看出，發(fā)送時(shí)間縮短為原來的1/6。

圖8 數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)視結(jié)果Fig.8 The monitoring result of data transmission

5 結(jié) 論

通過多SIM卡復(fù)用傳送數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)方案，相當(dāng)于縮短了終端的通信頻度，既滿足了“北斗”系統(tǒng)的通信規(guī)則，又提高了通信速率。如采用頻度為50 s的SIM卡可擴(kuò)充至10張，其通信速率將提高到原來的10倍；如采用頻度為30 s的SIM卡可擴(kuò)充至6張，其通信速率將提高到原來的6倍。通過擴(kuò)展SIM卡，不需要增加額外的硬件成本，就可在“北斗”終端上實(shí)現(xiàn)較大文本數(shù)據(jù)和圖片數(shù)據(jù)的傳輸，這種方法具有較高的民用推廣價(jià)值。

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