便携式北斗通信定位终端系统的研究与设计*

2017-12-26王延文王尔申唐远江哈哲远廖馨宇于子航

电子器件 2017年6期

关键词：报文北斗指令

王延文,王尔申,唐远江,哈哲远,廖馨宇,李珍,于子航

(1.沈阳航空航天大学电子信息工程学院,沈阳 110136;2.沈阳航空航天大学创新学院,沈阳 110136)

便携式北斗通信定位终端系统的研究与设计*

王延文1,王尔申1,唐远江1,哈哲远2,廖馨宇2,李珍1,于子航2

(1.沈阳航空航天大学电子信息工程学院,沈阳 110136;2.沈阳航空航天大学创新学院,沈阳 110136)

为保障在应急情况下数据信息的正常传输和通信能力,利用北斗卫星导航系统的导航定位和短报文功能,研究并设计了基于微控制器的便携式北斗通信定位终端。终端以STC89C52RC微处理器为控制核心,通过接口与通信定位模块进行命令和数据通信,对通信协议进行了详细解析,研究了汉字短信息的输入方法,给出了系统实验测试结果,测试结果表明:系统能够稳定、可靠运行,可作为公共网络通信的重要补充和应急通信方式。

北斗卫星导航系统;应急通信;微控制器;定位;短报文

北斗卫星导航系统是中国自主研制开发的卫星导航系统,是除美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的GLONASS之后第3个成熟的卫星导航系统。目前,可实现区域导航定位,并兼具短报文通信能力。计划2020年实现在全球范围内为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务。近年来,利用北斗卫星导航系统进行定位及导航的终端设备导层出不穷,越来越多的领域可见到北斗终端的应用[1]。

“北斗一代”的短报文功能是北斗系统的一大特色,是其他卫星导航系统不具备的功能。短报文能够实现终端和北斗卫星或北斗地面服务站之间通过卫星信号进行双向的信息传递,尤其在公共移动通信网络信号不能覆盖的情况下,北斗通信终端可以通过短报文进行紧急通信等,构建北斗应急通信系统[2],可实现位置、状态、应急信息和告警等数据信息的传输,在应急情况下保障了数据信息的正常传输和通信能力。而且,短报文也可应用到地质监测等其他领域,将在各个监测点采集到的数据通过短报文定期发给监控中心。

1 系统总体设计

研究的终端系统主要完成对位置信息的获取及收发短报文。对整个系统的硬件进行模块化设计,北斗通信定位模块由天线单元、收发单元和数据处理单元构成,其中数据处理单元是模块最为重要的部分,实现通信协议的解析处理。收发模块单元主要实现信号的调制与解调,天线单元实现信号接收与发射;微控制器选用STC89C52RC,该微控制器具有应用简单、方便等特点,而且片内资源丰富,满足系统设计的需求。显示模块采用带字库的LCD12864,该显示模块有灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可以显示8×4行、16×16点阵的汉字,也可完成图形显示。可以采用串行或并行的方式进行显示;文本编辑模块是系统设计的人机交互接口,用户通过按键输入发送的“短报文”信息,实现双向通信。系统设计原理框图如图1所示。

图1 系统硬件的原理框图

2 系统的详细设计

2.1 北斗通信定位模块

设计中采用的北斗通信定位模块是通用型北斗通信定位模块,其正常工作电压为5 V。北斗通信定位模块的整体结构框图如图2所示。其中数据处理单元是该模块最为重要的部分,实现通信协议处理。收发模块单元主要实现信号的调制与解调,天线单元实现信号接收与发射,电源为处理器提供工作所需的电压。

图2 通信定位模块的整体结构框图

北斗通信定位模块包含了北斗一代通信与北斗二代定位的功能,北斗一代为有源定位,北斗二代为无源定位。该模块默认输出 NMEA信息及RDSS信息,输出的信息的格式以“$”为起始符,通过该符号来识别指令。设计中使用北斗一代通信功能,北斗二代定位功能以提高定位的精度。北斗一代进行通信需要由微控制器向通信定位模块发送“申请指令”,模块收到指令后返回相应的“响应指令”。通信的请求指令格式说明如表1所示,定位/通信的响应指令格式说明如表2所示。

(1)“请求指令”用 ASCⅡ码表示,每一个 ASCⅡ码占用1 byte;

(2)“长度”表示从“请求指令”的起始符“$”起到“校验和”为止的数据的总字节数;

(3)“用户地址”表示用户机 SIM 卡号,共有3 byte;

(4)“校验和”指从“请求指令”起始符“$”起到“校验和”的前一个字节,按字节异或运算得到的结果;

(5)“信息内容”用二进制原码表示,各参数要严格按照格式要求的长度进行填充,长度不足时要求高位用“0”补齐。

(6)有符号参数,规定“0”表示“+”,“1”表示“-”。

表1 定位/通信的请求指令格式

表2 定位/通信的响应指令格式

2.2 文本编辑模块

文本编辑模块主要由4个子模块组成,包括4×4矩阵键盘,用户通过按键输入发送的“短报文信息”;微控制器是处理核心,实现与各个外设模块的指令和数据交互。LCD12864液晶显示模块显示人机交换信息。文本编辑模块的硬件组成原理如图3所示。

图3 文本编辑模块的硬件原理框图

文本编辑模块中的核心控制芯片采用STC12C5A60S2,该微控制器具有速度高、功耗低、抗干扰能力强等优点,其指令代码与8051完全兼容,而且速度比8051快8倍～12倍。4×4矩阵键盘用4条I/O线作为行线,4条I/O线作为列线。

3 系统软件设计

系统软件主要包括以下几个任务:串行通信,发送和接收定位/通信指令,文本编辑,液晶显示等。

3.1 发送和接收定位指令程序

定位申请指令要严格按照格式进行编程,采用16进制表示。例如,单次定位申请的指令可表示为:24 44 57 53 51 00 16 00 00 00 04 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 27。在程序设计中,将这些数存放在字节数组中,利用串口把数组中的数据依次发送给通信定位模块,进而完成定位申请操作。发送定位申请的子程序流程图如图4所示。

图4 发送定位申请流程图

通信定位模块接收到定位申请指令后返回反馈信息和定位信息,定位信息长度固定为31 byte,除去信息识别符“$WDXX”5 byte,只需循环26次就能完成接收。采用串口中断方式接收,并进行校验处理,接收子程序流程图如图5所示。

图5 定位信息处理程序流程图

定位信息中包含了时间、经纬度、高程信息,以24 44 57 58 58 00 1F 03 09 0D 08 00 00 00 0A 28 19 4E 7B 17 21 05 29 37 1B 09 00 3B 00 0C 21为例,时间信息为“0A 28 19”分别代表10 h、40 min、25 s,经度信息为“7B 17 21 05”分别代表123°、23 min、33 s、0.5 s,纬度信息为“29 37 1B 09”分别代表41°、55 min、27 s、0.9 s,高程信息为“00 3B”代表59 m。图中“flg”用来判断所接收数据的起始符是否为“$”,若是则继续接收,否则丢弃数据;数组“rec1[]”存放信息识别符,数组“DWXX[]”则是存放信息识别符后的所有信息内容,接收完后产生一个数据接收完成标志,即“ser_data”置1。通过移位以及逻辑运算操作提取出数组“DWXX[]”中所需数据的高4位和低4位数,并做进一步处理。

3.2 文本编辑程序

文本编辑程序主要用于用户通过该模块输入发送的“短报文”的信息内容。在输入文本时,除需要输入中文外,也可能需要输入英文、数字以及符号等。因此,将4×4键盘的一些特定按键定义为英文、数字等输入键,从而构成了完整的文本输入模块。文本编辑模块程序流程图如图6所示。

图6 文本编辑模块程序流程图

在上述功能实现中,通过扫描按键来实现用户的操作,并执行相应的功能。单片机扫描键盘输入口信号,通过电平变化即可判断是否有按键被按下,利用单片机读取端口状态获取按键值,进而,执行相应的按键处理子程序。由于按键操作的机械性,在按键闭合和断开过程中会出现抖动。因此,为了使单片机对一次按键只确认一次动作,采用软件延时对按键进行消抖处理。

3.3 测试结果与分析

设计的系统可实现定位信息的获取、短报文数据通信以及良好的人机交换等功能。

(1)定位测试

设计的系统具有友好的人机交互界面,开机显示“欢迎使用”。测试过程中,北斗通信定位模块的天线位置直接影响定位的性能,最好将天线放置在空旷位置。系统发送定位申请,微控制器收到模块返回的定位信息,经过处理在液晶屏幕上显示经纬度、时间及高程信息,结果如图7所示。

图7 定位信息处理结果

图8 文本编辑模块测试结果

(2)文本编辑模块测试

用户通过键盘输入拼音,然后由系统将字库中与该拼音匹配的汉字在下方显示,最后由用户选择所要输入的汉字。文本编辑模块测试结果如图8所示。

4 结论

文中研究了北斗通信定位终端系统的设计,对微控制器与模块间的通信协议进行了详细解析和阐述,对系统设计的功能进行了实验测试,结果显示:设计的系统实现了北斗短报文的通信、定位以及汉字文本输入等功能,系统具有设计简单、人机交换界面良好、便携式等优点,可用于应急情况下的信息通信等应用场合,具有较好的应用价值。

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ResearchandDesignofPortableBeidouCommunicationPositioningTerminal*

WANGYanwen1,WANGErshen1*,TANGYuanjiang1,HAZheyuan2,LIAOXinyu2,LIZhen1,YUZihang2

(1.School of Electronic and Information Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China;2.Innovation College,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

In order to guarantee the data transmission and communication capacity in case of emergency situation,by using navigation positioning and short message communication function of Beidou satellite navigation system,the Beidou communication positioning portable terminal system based on microcontroller is designed. Communication positioning terminal based on STC89C52RC microprocessor as control core,sending command and data communication through the serial port and communication positioning module. The communication protocols are emphatically analyzed,and the test results of the system are given. The results show that the system can run stably and reliably,and it can be used as an important supplement and emergency communication mode for public network communication.

Beidou satellite navigation system;emergency communication;microcontroller;positioning;short message

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.015

项目来源:国家级大学生创新训练项目(201510143000051,201710143000240);辽宁省大学生创新训练项目(S1612007);沈阳航空航天大学大学生创新训练项目(DX506302,X1610209)

2016-10-08修改日期2016-12-18

V241.6

1005-9490(2017)06-1404-04