一种面向遇险时信息采集与无线传输的电路系统设计

周兆军，张勋勋，张涛

（陕西烽火电子股份有限公司技术研究所，陕西西安，710114）

0 引言

随着人类全球化活动频繁进行，各种突发遇险事件也随之增加，例如飞机遇险、渔船遇险、野外探险遇险、地质灾害遇险等。当出现遇险情况时，如果遇险者可以及时地向外界发出特定的信息，搜救者通过所获取的遇险信息，可以快速地、准确地、有效地开展救援行动。目前，国际上通用的无线电救生方法是通过卫星对遇险设备进行定位，并将遇险设备的位置信息转发到地面站或搜救设备。通常飞机、船舶基本都配有国际上专用频段的无线电遇险设备。

基于以上背景，本文设计一种遇险信息采集与无线传输一体化的电路系统。该电路系统可将所采集到的特定遇险信息（位置信息、生理信息、环境信息），通过微控制芯片（STM32）进行数据解析与分组处理，利用FPGA 实现对数据的调制解调通信算法处理，并通过可编程射频收发芯片将数字信号转换成模拟射频信号发射到所设定的工作频点上，电路系统的设计原理图如图1 所示。

图1 遇险信息采集与无线传输电路设计原理图

1 遇险信息采集电路

本设计中所获取的遇险信息有三种：北斗定位模块获得的经纬度坐标信息、蓝牙模块获得的遇险人员的生理体征信息和浸水检测电路获取的环境信息。

■1.1 北斗定位模块

本设计采用和芯星通公司的高性能北斗卫星无线电导航RNSS 模块进行遇险定位[2]，该模块属于双系统、高性能SoC（片上系统），具体型号为UM220-IV M，可同时支持BD2 B1、GPS L1 两种工作模式[3]，工作频率范围为1559MHz～1577MHz，采用B1&GPS 方形陶瓷天线与卫星进行无线电收发。模块采用SMT 焊盘，外形尺寸紧凑，适合邮票贴方式集成到电路板上。模块在进行定位工作时，每隔1s 将经纬度坐标信息通过UART(异步串口)按照115200bps 的数据速率发送给微控制芯片，其数据格式按照国际标准NMEA0183 协议[4]。

■1.2 蓝牙模块

常见的便携式、可穿戴的生理信息监测设备有腕表、头戴、芯片鞋等产品，可以实时监测人员的心率、血压、血氧、体温等生理体征信息[5]。此类监测产品都具备蓝牙互连、短距离数据传输的功能，因此可以通过蓝牙传输的方式采集到遇险时人员的生理信息。

本设计选用思卡乐公司的低功耗蓝牙通信模块，其型号为SBM14580S。模块中集成Flash，可将接到信息进行存储，其内部集成了陶瓷天线。整个蓝牙模块设计小巧，通过邮票贴方式集成到电路板上。微控制芯片可以通过UART 按照相应的传输协议对蓝牙模块进行控制以及生理信息数据接收。

■1.3 浸水检测电路

遇险时对人员所处的环境监测也是非常重要的。浸水环境是一种多见的遇险环境，救援人员若能及时得知遇险环境，则可以提前做好水中营救的准备，提高遇险者的获救概率。

浸水检测电路设计中采用德州仪器公司的一款低功耗电压比较器，可以精密监控+IN、-IN 两端输入电压变化，快速进行输出响应，具体型号为TLV7031DCKR-PDSO-G5。正常状态下浸水连接器的两个触点处于空气中，属于绝缘状态，+IN 端口上的电压小于-IN 端口上的电压，OUT 引脚输出为低电平。在浸水环境中，两个触点之间形成导通阻值，使得+IN 端口上的电压大于-IN 端口上的电压，OUT 引脚输出为高电平。OUT 引脚连接到微控制芯片输入，微控制芯片通过监测电平高低，判断遇险人员是否为落水状态。

2 无线传输电路

传统的无线传输电路都是针对某种特定的通信方式所设计的，功能单一且固化。例如，BPSK 单载波通信系统与OFDM 多载波通信系统的电路设计差异巨大，AM/FM 窄带通信系统与CDMA 宽带通信系统的电路设计也完全不同。本设计不局限于某种特定通信方式，采用目前先进的软件无线电（SDR）架构思路进行无线传输电路设计[6]，可支持多类型的通信方式。软件无线电硬件电路作为通用性通信平台，一方面，需要能够兼容各种不同类型的通信软件算法的实现，另一方面，需要可以支持射频信道中各种功能参数灵活配置，例如ADC/DAC 采样频率、射频工作频点、工作带宽等等。因此，现代化软件无线电技术的电路设计中核心包括两部分：高性能的数字信号处理单元和参数可灵活配置的射频信道。

■2.1 数字信号处理单元

数字信号处理单元主要用来实现数字通信中不同类型的调制解调算法。本设计中数字信号处理单元选用Xilinx 公司K7 系列的FPGA 芯片，其型号为XC7K325T。该芯片采用6 输入的查找表（LUT）配置分布式寄存器技术[7]，具有功耗低、高性能、多IO 引脚、资源丰富等特点，适用于高速数字信号处理以及复杂算法实现，XC7K325T 主要性能指标参数见表1。

表1 XC7K325T主要性能指标参数

■2.2 可编程射频收发芯片

射频信道主要完成数字信号与模拟信号之间的转变以及模拟信号的滤波、变频、放大等处理。本设计选用ADI公司的一款低功耗、高度集成的数模混合一体化射频收发芯片，型号为AD9361[8]。该芯片将传统的分立式射频器件集成在单颗芯片上，并且具备内部功能高度可编程性，其工作频点范围为70MHz～6GHz，最大输出功率为7dBm。用户可以根据不同的通信方式和应用需求，对其内部电路进行编程配置，使得数据传输的射频信道灵活可控。AD9361 芯片内部功能结构如图2 所示。

图2 AD9361 芯片内部功能结构原理图

接收链路集成包括：低噪声放大器（LNA）、接收射频本振（RXLO）、混频器（Mixer）、晶体管放大器（AMP）、低通滤波器（BBLPF）、模拟信号采样（ADC）、三级半带滤波器（HB3、HB2、HB1）、FIR 滤波器（FIR）。接收时，射频信号按照箭头所指方向依次通过上述电路处理转变为数字基带信号送入FPGA。

发射链路集成包括：FIR 滤波器（FIR）、三级半带滤波器（HB3、HB2、HB1）、数字信号转模拟（DAC）、第一级低通滤波器（BB LPF）、第二级低通滤波器（LPF）、混频器（Mixer）、发送射频本振（TXLO）、衰减器（Attenuation）。发送时，数字基带信号按照箭头所指方向依次通过上述电路处理转变成射频信号发射出去。

以上所述的芯片内部电路的功能都可以通过编程灵活配置。

3 主控电路

遇险信息采集电路与无线传输电路之间还需要通过一个主控电路进行遇险工作管理与控制，其主要功能有：控制遇险信息采集电路工作并轮询式接收遇险信息、按照协议规定解析各种遇险信息并进行数据分组处理送往FPGA、按照需要配置可编程射频收发芯片。本设计选用意法半导体的微控制芯片STM32F103R，该芯片使用高性能ARM Cortex-M3 32 位的RISC 内核处理器[9]，且具有各种标准化外设通信接口，工作时需要外部提供一个32.768KHz 的晶体，用于RTC 时钟源，STM32F103R 主要功能参数见表2。

表2 STM32F103R主要功能参数

4 系统电路设计与应用

上述章节中分别对遇险信息采集电路、无线传输电路和主控电路的设计进行详细地描述，在此基础上将各部分电路通过交联实现遇险信息采集与无线传输一体化的电路系统，核心电路如图3 所示。

图3 遇险信息采集与无线传输电路系统核心电路图

■4.1 系统电路交联设计

北斗定位模块、蓝牙模块、浸水电路分别与微控制芯片通过UART_1、UART_2 和电平信号进行数据交互，微控制芯片通过SPI_1 接口与FPGA 进行数据交互，通过SPI_2接口对射频收发芯片进行信道功能配置，FPGA 与射频收发芯片之间分别通过数据总线RX(IQ)和TX(IQ)进行基带数据收发。

由于射频收发芯片的输出功率最大只有7dBm，难以满足远距离通信的发射功率要求，因此在实际应用时，需要在射频收发芯片发送接口之后增加功率放大器。由于现有技术条件下所设计的功率放大器电路不具备通用性，都是根据实际工作频段、输出功率要求以及输出的波形特征所定制的。本设计为了追求一体化、通用性的遇险信息采集与无线传输电路系统，因此对于功放电路部分不做研究与设计。

■4.2 系统电路开发与应用

下面通过一个简单的应用实例说明该电路系统的使用方法与工作流程。

通信方式采用QPSK 调制解调，调制后数据速率为800Kbps，射频带宽为1MHz，工作频点为243MHz。遇险信息发送流程为每隔5s 发送一次定位信息，每隔10s 发送一次生理信息，每隔30s 发送一次浸水状态信息。

遇险信息采集与无线传输一体化的电路系统软件开发主要有三点：

第一点：通过FPGA 实现QPSK 调制算法，并将调试成功的程序烧入FPGA；第二点：按照800Kb/s 的数据速率设计射频收发芯片中DAC 的采样速率6.4MHz；按照1MHz的射频带宽设计FIR 数字滤波器的抽头系数，第一级低通滤波器BB LPF 和第二级滤波器LPF 的3db 截止频率；将发送射频本振配置成234MHz。将所得到的这些功能参数放置在微处理芯片中，通过SPI_2 接口进行加载配置。第三点：按照规定的遇险信息发送流程进行编程，并将调试成功的程序烧写到微处理芯片内部的Flash 中。

遇险信息采集与无线传输一体化的电路系统工作流程：

第一步：系统上电后，FPGA 和微处理器分别自动加载各自芯片内部的程序，北斗定位模块、蓝牙模块和浸水检测电路开始工作；第二步：微处理器通过SPI_2 接口将各功能参数配置到射频收发芯片内部寄存器中，随后射频收发芯片加载启动；第三步：微处理器按照规定的时间间隔，采用轮询的方式接收各种遇险信息；第四步：微处理器对遇险信息进行解析、数据分组处理后通过SPI_1 接口送往FPGA；第五步：FPGA 按照QPSK 调制算法对收到的数据进行处理，并通过数据总线TX(IQ)送到射频收发芯片；第六步：射频收发芯片按照已经配置好的功能对数据进行一系列内部处理与变换，最终以无线电方式发射出去。

5 结语

本文设计了一种遇险时信息采集与无线传输的电路系统。该系统主要由遇险信息采集电路、无线传输电路和主控电路三部分组成。可获取的遇险信息有三种：北斗定位信息、遇险人员的生理体征信息、浸水环境信息。无线传输电路采用了先进的软件无线电架构思路进行设计，可支持不同类型的通信方式。该电路系统作为通用性的遇险通信平台具备灵活性、可靠性、实用性的特点。目前，该电路系统已经应用于某机构的遇险搜集行动当中。