動(dòng)態(tài)環(huán)境可實(shí)時(shí)定位無線信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹翱翔，張會(huì)新，劉文怡*(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051; 2.電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

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動(dòng)態(tài)環(huán)境可實(shí)時(shí)定位無線信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹翱翔1，2，張會(huì)新1，2，劉文怡1，2*
(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051; 2.電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

摘要:提出一種動(dòng)態(tài)環(huán)境下能實(shí)時(shí)定位箭載記錄器的回收系統(tǒng)方案。由隨記錄器一起下落的信標(biāo)發(fā)射機(jī)、天上無人機(jī)及地面接收設(shè)備組成的搜索網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)獲取記錄器的位置信息。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出，記錄器在空中某一時(shí)刻的位置信息:緯度39°04.182 64，經(jīng)度111°44.721 32，海拔高度1 411.1 m;落地后位置信息:緯度39°04.165 00，經(jīng)度111°44.730 90，海拔高度1 333.0 m。結(jié)果表明，根據(jù)實(shí)時(shí)得到的位置點(diǎn)繪制出了下落軌跡，實(shí)現(xiàn)了對記錄器的快速找尋。關(guān)鍵詞:電路設(shè)計(jì);實(shí)時(shí)定位;信標(biāo)機(jī); GPS;無人機(jī)

無線信標(biāo)機(jī)作為單向發(fā)射器［1］，目前已在軍、民很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，覆蓋陸海空各個(gè)方面。在航海船只搜救以及遠(yuǎn)足者搜救等領(lǐng)域的信標(biāo)機(jī)技術(shù)都已經(jīng)比較成熟，市場上也已有不同類型各種應(yīng)用的產(chǎn)品出現(xiàn)。然而在航空領(lǐng)域針對于記錄器的回收卻沒有成熟的、抗過載性能好、功率大、體積小的專用信標(biāo)機(jī)，因此展開這方面的應(yīng)用研究是十分有必要的。本文介紹一種應(yīng)用在箭載記錄器回落搜索方面，基于動(dòng)態(tài)環(huán)境下面臨的問題提出設(shè)計(jì)方法，最后通過測試表明，該設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠，可在實(shí)際中推廣應(yīng)用。

1　系統(tǒng)簡介

圖1　系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)工作流程圖1所示。當(dāng)記錄器下降到25 km高度時(shí)記錄器上的高度計(jì)提供給信標(biāo)機(jī)發(fā)射機(jī)一個(gè)觸發(fā)脈沖，信標(biāo)機(jī)便開始發(fā)射無線信號(hào)并進(jìn)行搜星任務(wù)，在預(yù)計(jì)落點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，無人機(jī)搜索設(shè)備在天上循環(huán)飛行進(jìn)行信號(hào)搜索，同時(shí)把接收到的信息一方面實(shí)時(shí)發(fā)送到地面接收機(jī)一方面存儲(chǔ)起來，與此同時(shí)地面搜索設(shè)備在預(yù)定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行搜索信號(hào)和接收空中無人機(jī)信號(hào)的任務(wù)。

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1GPS模塊

針對動(dòng)態(tài)使用環(huán)境，在GPS模塊選型中，本文采用國內(nèi)廠商?hào)|方聯(lián)星生產(chǎn)的GPS模塊CNS50－GPS，可良好適應(yīng)下落時(shí)的動(dòng)態(tài)環(huán)境以及在民用領(lǐng)域選擇較多的U-BLOX公司的GPS導(dǎo)航模塊MAX－6Q。GPS模塊已經(jīng)將本身核心CPU、基帶芯片、RF射頻芯片以及相關(guān)的外圍電路集成在了一起。數(shù)據(jù)手冊上可查到MAX－6Q模塊的參考電路設(shè)計(jì)，使用單片機(jī)的串口可以和其串口功能直接連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。對于CNS50－GPS模塊，其包含兩種數(shù)據(jù)格式:NMEA 0183和二進(jìn)制格式，數(shù)據(jù)輸出接口4個(gè)，使得設(shè)計(jì)更具多樣性靈活性。GPS接收電路如圖2所示。

圖2　GPS接收電路圖

2.2信標(biāo)機(jī)控制單元

控制單元作為系統(tǒng)的核心單元，控制著整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度以及功耗、數(shù)據(jù)處理等各個(gè)部分的工作情況?？紤]到GPS傳輸速率和數(shù)據(jù)長度，本系統(tǒng)處理單元核心器件采用了CYGNAL公司的單片機(jī)C8051F040。單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)包含程序下載電路和時(shí)鐘電路，需3.3 V電源供電，GPS模塊的信息可通過串口來讀取，同時(shí)GPS參數(shù)也可以通過串口對其進(jìn)行更改，例如數(shù)據(jù)更新率、數(shù)據(jù)傳輸格式等。通過單片機(jī)來控制GPS模塊的供電部分，從而可靈活的控制GPS工作，達(dá)到降低功耗的目的。后級(jí)射頻模塊可通過與C8051F040的串口相連接，通信波特率設(shè)置為9 600。

2.3信標(biāo)機(jī)無線傳輸單元

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，射頻模塊作為無線通信設(shè)計(jì)中的一部分，可以直接與CPLD或者單片機(jī)串口相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并在其本身內(nèi)部集成好載波調(diào)制和偽碼電路設(shè)計(jì)，電路連接示意圖如圖3所示。本設(shè)計(jì)采用的是美國DIGI公司的XTendTM900模塊進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì)，無線通信射頻模塊使用5 V電源供電，含有20個(gè)設(shè)計(jì)管腳，其中第7管腳可以用來控制模塊的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)功耗控制，通過上位機(jī)軟件的配置，可直接與CPLD和單片機(jī)等芯片實(shí)現(xiàn)硬件數(shù)據(jù)流控制和串口數(shù)據(jù)收發(fā)，本設(shè)計(jì)以9 600波特率進(jìn)行通信。

圖3　電路連接框圖

2.4接收系統(tǒng)和轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在無線接收設(shè)備中，射頻前段使用相同的收發(fā)單元，通過對射頻單元參數(shù)設(shè)計(jì)，可以使收發(fā)端具有相同的偽碼序列和頻率跳變，達(dá)到收發(fā)同步。采用單片機(jī)對后級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過CPLD芯片進(jìn)行“串－并”轉(zhuǎn)換，形成8位數(shù)據(jù)格式，經(jīng)過FT245接口電路生成USB格式數(shù)據(jù)流傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)地圖軟件顯示當(dāng)前位置。其中并口電路轉(zhuǎn)USB電路如圖4所示。

圖4　并口電路轉(zhuǎn)USB電路

2.5信標(biāo)機(jī)供電單元

供電模塊起到為整個(gè)系統(tǒng)提供能量的作用，電源電路設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要考慮其充足的電量和穩(wěn)定的電壓，還需要純凈的電源，即電源紋波小，對電路板電路的干擾盡量小。供電模塊功能框圖如圖5所示。

圖5　供電模塊功能框圖

3　試驗(yàn)結(jié)果

3.1MAX－6Q模塊測試

應(yīng)用于信標(biāo)發(fā)射機(jī)上的GPS模塊包含可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)環(huán)境下實(shí)時(shí)定位的功耗較大的GPS模塊CNS50－GPS和U-BLOX公司的車載民用功耗較低的GPS模塊MAX－6Q。其中CNS50－GPS功耗達(dá)到1 W，MAX－6Q功耗只有數(shù)十毫瓦。無線信標(biāo)發(fā)射機(jī)工作時(shí)，在下落的動(dòng)態(tài)過程中使用CNS50－GPS模塊，落地之后則使用MAX－6Q模塊。通過CPLD芯片對兩路信號(hào)進(jìn)行串口分配，可解決C8051F040串口不足的問題。GPS模塊在正常測試情況下，CNS50－GPS模塊輸出一連串二進(jìn)制數(shù)字。在定位成功情況下，MAX－6Q輸出結(jié)果如圖6所示，為了降低傳輸數(shù)據(jù)量，系統(tǒng)去除了多余的數(shù)據(jù)。

圖6　GPS模塊搜星成功輸出信息

3.2 CNS50－GPS模塊測試

對于CNS50－GPS模塊，在地面設(shè)置兩接收端，分別位于起飛點(diǎn)和飛機(jī)飛行的最遠(yuǎn)點(diǎn)，將兩路GPS導(dǎo)航接收模塊置于無人機(jī)上，為了區(qū)分兩種模塊采集的數(shù)據(jù)，本文分別命名不同的名字:天上回收的數(shù)據(jù)和地面GPS接收數(shù)據(jù)，運(yùn)用在兩種數(shù)據(jù)每個(gè)字節(jié)之前分別添加不同標(biāo)記的辦法。天上回收數(shù)據(jù)每個(gè)字節(jié)之前加“FA AF”，地面GPS接收數(shù)據(jù)每個(gè)字節(jié)之前加“EB BE”。對于每個(gè)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，天上回收數(shù)據(jù)幀頭為“FA AF AA FA AF EB”，地面GPS接收數(shù)據(jù)幀頭為“EB BE 55 EB BE 90”，則采集的原始信息數(shù)據(jù)如圖7所示。

上面的原始數(shù)據(jù)可以比較明確的判斷兩路GPS模塊發(fā)射的信號(hào)，通過兩路GPS模塊獲取的經(jīng)緯度信息對比可以得到更精確的位置信息。上位機(jī)軟件同時(shí)可以實(shí)時(shí)顯示接收的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)換算成地面與地圖匹配，上位機(jī)地圖軟件如圖8所示。

圖7　接收的兩路原始數(shù)據(jù)格式

圖8　上位機(jī)地圖軟件

4　結(jié)論

本文針對搜索技術(shù)，根據(jù)動(dòng)態(tài)環(huán)境采用了一些新的設(shè)計(jì)和想法，提出地面搜索和天上無人機(jī)搜索聯(lián)合搜索的方案，可大大提高搜索成功率。對系統(tǒng)進(jìn)行了空中、平地和山區(qū)等各種條件的實(shí)驗(yàn)，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，在快速移動(dòng)的物體上面，GPS數(shù)據(jù)更新率能夠滿足試驗(yàn)要求，根據(jù)更新位置點(diǎn)連接成線，描繪出了物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，達(dá)到了快速回收數(shù)據(jù)記錄器的目的。

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曹翱翔(1989－)，男，漢族，安徽肥東人，中北大學(xué)在讀研究生，研究方向?yàn)闇y試計(jì)量技術(shù)及儀器，caoaoxiang@qq.com;

劉文怡(1970－)，男，漢族，山西嵐縣人，中北大學(xué)教授，研究領(lǐng)域?yàn)闇y試計(jì)量技術(shù)及儀器，122631168@qq.com。

Information Receiving and Switching Wireless Beacon Designed Based on Two-Way GPS*

Zheng Junhua1，2，Tan Qiulin1，2*，Qin Xiaolong1，2
(1.Science and Technology on Electronic Test＆Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China;
2.Key laboratory of Instrumentation Science＆Dynamic Measurement，North University of China，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China)

Abstract:Through the research of the application and development of the current beacon on the domestic and international，a kind of radio beacon was designed based on two GPS information received and switching.The switching control circuit uses C8051F040 chip as the main chip to control two-way GPS module thus for increasing the wirless beacon working time，improve accuracy and reduce power consumption.Experimentally measured the UTC time 11:37:30，latitude 38.013 6°east，longitude 112.446，altitude of 815.9 meters.The results showed that the system can achieve and receive location information and display through the PC.

Key words:circuit and system; beacon design; wireless communication; two-way GPS; low power consumption

doi:EEACC:722010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.030

收稿日期:2014－08－27修改日期:2014－09－28

中圖分類號(hào):TP274.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015)04－0858－05