航海GPS、電羅經(jīng)信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周春華 王桐明 許鑰

摘 要：本文涉及了一款適用于船載GPS和電羅經(jīng)信號(hào)的分路放大器系統(tǒng)，將單獨(dú)的GPS和電羅經(jīng)信號(hào)放大并分路給各設(shè)備用戶。解決了船用設(shè)備用戶多，對(duì)信號(hào)要求高的問題。

關(guān)鍵詞：GPS；放大器；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

1 引言

為了滿足船舶導(dǎo)航設(shè)備、氣象設(shè)備、通信設(shè)備等設(shè)備對(duì)GPS信號(hào)和電羅經(jīng)信號(hào)的需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)安全穩(wěn)定的信號(hào)分路放大器系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)主要將信號(hào)經(jīng)過電平變換電路變成TTL電平信號(hào)，輸入至高性能微控制器進(jìn)行處理。微控制器接收到信號(hào)后對(duì)其進(jìn)行解調(diào)，得到經(jīng)緯度、UTC時(shí)間、航向等信息，存入內(nèi)存，用于后續(xù)處理。微處理器將其輸出給放大電路進(jìn)行分路放大，放大后的信號(hào)通過輸出電平變換電路輸出給用戶。在嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的選擇上本設(shè)計(jì)采用UIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，它是一種開源的協(xié)議棧，具有代碼少、功能豐富，移植簡單等優(yōu)點(diǎn)，可以很方便的與STM32F103系列微處理器組合。在微控制器的程序設(shè)計(jì)上，采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，將各項(xiàng)功能劃分成相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)模塊，采用Protothreads多線程技術(shù)來管理任務(wù)。

2 基本原理

本項(xiàng)目采用數(shù)字技術(shù)重新設(shè)計(jì)新一代GPS兼容分路放大器，在完全實(shí)現(xiàn)原GPS分路放大器功能的基礎(chǔ)上，采用新的高性能微控制器作為核心控制器件，采用新型號(hào)的放大和線路驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)輸出電路，并采用穩(wěn)定可靠的獨(dú)立單路航空插頭用于輸出，兼容GPS信號(hào)的接收處理，可以大大提高分路放大器工作的穩(wěn)定性和可靠性。采用模塊化設(shè)計(jì)思路簡化設(shè)備的維護(hù)維修。本項(xiàng)目拓展的網(wǎng)絡(luò)輸出接口可以方便的將GPS信號(hào)通過船內(nèi)局域網(wǎng)傳輸?shù)饺魏涡枰牡胤剑瑢?shí)現(xiàn)與其它系統(tǒng)的無縫集成。

分路放大器主要由輸入電平轉(zhuǎn)換、高性能微控制器、輸出放大器、輸出電平變換、網(wǎng)絡(luò)處理芯片、網(wǎng)絡(luò)接口等組成。

從GPS送來的信號(hào)分別通過輸入接口輸入，經(jīng)過電平變換電路變成TTL電平信號(hào)，輸入高性能微控制器進(jìn)行處理。微控制器接收到GPS信號(hào)后對(duì)其進(jìn)行解調(diào)，得到經(jīng)緯度、UTC時(shí)間或航向等信息，存入內(nèi)存，用于后續(xù)處理。微處理器通過顯示電路將接收到的信息顯示到液晶面板上，同時(shí)接收從網(wǎng)絡(luò)接口輸入的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，將GPS信息按照規(guī)定的格式變換成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，從網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送出去。微處理器還要完成網(wǎng)絡(luò)處理器的初始化設(shè)置和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理。由于輸入的信號(hào)格式與輸出的信號(hào)格式不同，因此，微處理器還需要完成輸入信號(hào)的變換運(yùn)算，得到輸出信號(hào)，然后送給輸出放大電路進(jìn)行分路放大，放大后的信號(hào)通過輸出電平變換電路輸出給用戶。為了實(shí)現(xiàn)輸出電路故障的診斷，輸出端口的信號(hào)還需要進(jìn)行環(huán)回處理，環(huán)回的信號(hào)送給微處理器，用于故障自動(dòng)診斷。

不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有不同的處理方式，本系統(tǒng)支持TCP/IP、UDP、ARP、ICMP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其中ARP協(xié)議用于網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換，是其它協(xié)議的基礎(chǔ)，ICMP協(xié)議用于相應(yīng)客戶端PING命令，TCP/IP、UDP兩種協(xié)議都可以用于傳輸GPS數(shù)據(jù)，具體用哪種協(xié)議傳輸取決于客戶端數(shù)據(jù)請(qǐng)求使用哪種協(xié)議，如果客戶端請(qǐng)求基于TCP/IP協(xié)議，則通過TCP/IP協(xié)議傳輸GPS數(shù)據(jù)，如果客戶端請(qǐng)求基于UDP協(xié)議，則通過UDP協(xié)議傳輸GPS數(shù)據(jù)。

3 硬件組成

3.1網(wǎng)絡(luò)處理芯片

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信接口拓展采用串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊電路或者獨(dú)立的嵌入式web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)處理的微控制器上按照串口輸出來設(shè)計(jì)，具有軟硬件設(shè)計(jì)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但存在成本較高、使用不夠靈活、功能受限等不足。本項(xiàng)目不采用以上方案設(shè)計(jì)，在網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)上采用獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)處理芯片（網(wǎng)卡芯片）進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過高速串行總線與微控制器連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口物理層的傳輸，在微控制器上通過嵌入網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議棧來實(shí)現(xiàn)高層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在微控制器上嵌入微型web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的無終端訪問（通過瀏覽器來訪問數(shù)據(jù)）。這種設(shè)計(jì)雖然會(huì)帶來較大的復(fù)雜性，但設(shè)計(jì)靈活，便于后期的遠(yuǎn)程控制處理。

在網(wǎng)絡(luò)處理芯片的選擇上本項(xiàng)目選用KSZ8851SNL芯片，該芯片采用高速SPI串行總線與微控制器通信，總線時(shí)鐘高達(dá)40MHz，支持10M/100M網(wǎng)絡(luò)接口，在眾多常用網(wǎng)絡(luò)處理芯片中具有速度快、功耗低、工作穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 高性能微處理器

由于本項(xiàng)目拓展了網(wǎng)絡(luò)通信接口，增加了大量的網(wǎng)絡(luò)處理運(yùn)算，對(duì)微控制器的性能提出了較高的要求，一般的8位微控制器（如8051等）難以滿足網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算的要求，因此，在微控制器的選擇上本項(xiàng)目選用基于ARM的 32位Cortex-M3微控制器，采用意法半導(dǎo)體的STM32F103系列芯片作為微控制器，該微控制器為精簡指令集微控制器，運(yùn)行速度高達(dá)72MHz，具有硬件乘法器和除法器，大部分指令只需要一個(gè)時(shí)鐘周期就能完成，該微控制器接口豐富，具有較大的ROM、RAM空間，能夠滿足本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的需求。

在嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的選擇上本項(xiàng)目采用uip網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，它是在一種開源的協(xié)議棧，具有代碼少、功能豐富，移植簡單等優(yōu)點(diǎn)，可以很方便的與STM32F103系列微處理器組合。

在微控制器的程序設(shè)計(jì)上，采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，將各項(xiàng)功能劃分成相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)模塊，采用Protothreads多線程技術(shù)來管理任務(wù)。

4 軟件調(diào)試

PC端每發(fā)送一次數(shù)據(jù)得到一次響應(yīng)數(shù)據(jù)包，如果輸入數(shù)據(jù)解調(diào)正確，則返回固定格式的數(shù)據(jù)包，如果無數(shù)據(jù)輸入，則返回?zé)o輸入提示信息。

5 結(jié)束語

該GPS、電羅經(jīng)信號(hào)放大器共有16個(gè)分路，能夠滿足船舶日常用設(shè)備使用，應(yīng)用價(jià)值高、工作性能穩(wěn)定。根據(jù)其功能和特性，后續(xù)也可改造應(yīng)用于其它串口信號(hào)放大器中。