基于藍牙技術(shù)的北斗終端通信模塊的設(shè)計

 摘要：北斗導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，具有精確授時，短信通信及快速定位的特點。針對北斗天線和射頻信號處理模塊體積較大等問題，提出了一種利用藍牙模塊與北斗模塊通信的便攜式終端。系統(tǒng)以STM32F103RBT單片機為核心，在北斗射頻信號處理模塊和北斗信息處理模塊之間加入藍牙通信的模塊，實現(xiàn)這兩部分的無線互聯(lián)，從而解決了北斗終端系統(tǒng)攜帶不便的問題。

0 引言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)是中國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導航、授時服務(wù)，并能向有更高要求的授權(quán)用戶提供進一步服務(wù)，軍用與民用目的兼具。中國在2003年完成了具有區(qū)域?qū)Ш焦δ艿谋倍沸l(wèi)星導航試驗系統(tǒng)，之后開始構(gòu)建服務(wù)全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，于2012年起向亞太大部分地區(qū)正式提供服務(wù)，并計劃至2020年完成全球系統(tǒng)的構(gòu)建。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)除能夠獲取時間信息和位置信息外，其主要特點是備有短報文通信功能，使得在系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)的終端用戶可以進行雙向通信，這是其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)所沒有的創(chuàng)新性功能，具備了通信與導航相結(jié)合的特色服務(wù)。而目前市場上以北斗衛(wèi)星作為導航系統(tǒng)的商品尚不是很多，特別是民用產(chǎn)品目前還處于起步階段，因此北斗相關(guān)應(yīng)用的巨大潛在市場還有待挖掘和開發(fā)。本文提出的基于藍牙模塊的北斗通信便攜式終端亦是在北斗應(yīng)用市場的一個積極嘗試。

1 北斗終端系統(tǒng)簡介

北斗導航定位系統(tǒng)和其他的導航定位系統(tǒng)一樣，用戶應(yīng)用終端設(shè)備始終是其一個重要組成部分，主要負責完成北斗信息接收，實現(xiàn)用戶特定的應(yīng)用需求。從衛(wèi)星導航終端的應(yīng)用對象來劃分，用戶應(yīng)用終端通常包括手持式終端、車載式終端、艦載式終端以及嵌入式終端等多種類型，提供實時的導航定位、報文通信和授時業(yè)務(wù)。其主要組成部分為北斗接收天線、北斗射頻信號處理模塊以及北斗基帶信息解析處理模塊，完成對北斗射頻信號的接收，解調(diào)以及數(shù)據(jù)解析的功能。

北斗衛(wèi)星通信采用BCD編碼長報文，每幀報文長度大于200 B/次。通信主要有兩種類型：一種是用戶終端設(shè)備向北斗空間終端發(fā)出的控制指令;一種是北斗空間終端發(fā)送回來的北斗信息數(shù)據(jù)信息。這些通信數(shù)據(jù)幀格式如下：

幀頭：控制指令中的幀頭包含同步頭和指令類型，而接收信息數(shù)據(jù)幀的幀頭則包含同步頭和接收信息類型;

幀長：表明數(shù)據(jù)幀長度;

源地址：表明控制指令發(fā)送地址或是接收信息接收地址;

數(shù)據(jù)幀內(nèi)容：包含控制指令通信申請信息或是接收信息幀的信息內(nèi)容;

校驗碼：控制指令數(shù)據(jù)幀和接收信息幀都采用校驗和的方式對內(nèi)容進行校驗，即將校驗碼之前的數(shù)據(jù)異或和，與校驗碼做比較，檢測數(shù)據(jù)幀的正確性。

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

北斗終端系統(tǒng)可分為北斗射頻信號處理模塊和北斗用戶信息解析處理模塊。目前市面上的這兩部分多采用有線方式相連，而北斗射頻信號處理模塊的天線和射頻基帶部分體積較大，若是將此部分與北斗用戶信息解析處理模塊結(jié)合在一起，在實際應(yīng)用中會有諸多不便。針對這一應(yīng)用現(xiàn)狀，本課題研究的北斗終端在射頻信號處理部分與北斗用戶信息解析處理部分加入了藍牙通信功能模塊，通過藍牙無線傳輸?shù)姆绞较噙B，使得北斗用戶信息解析處理模塊體積大大減小，便于用戶攜帶。因此，本論文設(shè)計的北斗終端系統(tǒng)由北斗射頻信號處理模塊、北斗用戶信息解析處理模塊以及藍牙通信模塊組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計北斗終端總體結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

2.2 北斗終端射頻信號處理模塊

北斗終端射頻信號解調(diào)接收模塊主要負責接收北斗空間工作站發(fā)來的北斗射頻信息，調(diào)理和解調(diào)輸出。本模塊主要是基于FDBD3111北斗RDSS射頻基帶模塊及其應(yīng)用電路組成，該模塊集成了LNA低噪放、射頻通道、PA功放和基帶處理四個功能模塊，可接收/發(fā)射北斗射頻信號，輸出基帶信號，輸出接口為通用串口接口。利用該模塊即可將串口Rx輸入的北斗指令信息調(diào)制發(fā)送出去，又可以將天線接收的北斗信號解調(diào)通過串口的Tx輸出。為便于該模塊的測試，該模塊還加入了基于MAX232芯片的串口電平轉(zhuǎn)換電路，通過串口轉(zhuǎn)USB線可連接PC機，使得通過PC機的串口調(diào)試助手初步測試模塊電路，本模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 藍牙通信模塊

藍牙通信模塊，該模塊帶有串口接口，直接接到FDBD3111北斗RDSS射頻基帶模塊串口接口，主要負責將北斗基帶信息轉(zhuǎn)成藍牙通信傳輸。該模塊采用CSR公司生產(chǎn)的藍牙芯片BC417為主控芯片，采用藍牙V2.0協(xié)議標準，工作頻率為2.4 GHz。該芯片帶有串口、USB等接口，可直接將串口或是USB信息轉(zhuǎn)成藍牙信息發(fā)送出去，也能將藍牙接收的信息轉(zhuǎn)成串口或是USB輸出。通過AT指令，可將該藍牙芯片設(shè)置成主機模式和從機模式，當芯片處于主機模式時，可直接與從機模式的芯片相連。當芯片處于從機模式時，則可與手機藍牙、電腦藍牙等帶有藍牙功能設(shè)備相連，但處于從機模式的芯片之間不能互聯(lián)。

2.4 北斗終端用戶信息解析處理模塊

北斗終端用戶信息解析處理模塊，主要負責發(fā)送特定的北斗指令和對應(yīng)的北斗信息。該模塊采用基于ARM Correx—M3的STM32F103RBT嵌入式處理器作為主控芯片，該芯片最高可工作在72 MHz頻率，工作電壓為2.0～3.6 V，擁有GPIO、UART、ADC等豐富的外設(shè)接口，具備優(yōu)異的實時性能、杰出的功耗控制和良好外設(shè)性能等諸多優(yōu)點，更重要的是ST公司提供了STM32系列處理器固件庫函數(shù)，降低了該芯片開發(fā)難度，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。

STM32F103RBT芯片將用戶按鍵外部中斷選擇發(fā)送的北斗指令，加上北斗通信的報文幀頭信息，長度信息和校驗信息等，通過藍牙通信模塊傳輸給FDBD3111北斗RDSS射頻基帶模塊調(diào)制放大，最后輸送到北斗天線上發(fā)送出去;同時，該芯片可讀取并解析藍牙通信模塊接收的北斗用戶信息，最后顯示在TFT液晶屏上，液晶背景圖片存儲在SD Card中。系統(tǒng)工作框圖如圖3所示。

3 北斗終端系統(tǒng)軟件設(shè)計

北斗信息處理模塊是北斗終端的核心部分，它將北斗終端的各個組件以及功能模塊貫穿在一起，通過北斗信息處理模塊運行的系統(tǒng)軟件來協(xié)同北斗終端的硬件模塊以及軟件功能模塊共同實現(xiàn)北斗終端的各項功能以及協(xié)議要求。系統(tǒng)軟件總體框圖如圖4所示。

3.1 藍牙通信模塊

該模塊完成FDBD3111北斗射頻基帶模塊處理的北斗信息與藍牙通信信息出傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換。由于藍牙通信功能模塊式基于CSR藍牙芯片BC417的接口配置，該芯片是集成專用的藍牙芯片，芯片內(nèi)部已固化了串口或是USB轉(zhuǎn)藍牙的程序，通過特定指令配置即可設(shè)置工作模式、數(shù)據(jù)發(fā)送接收波特率等參數(shù)。這種指令叫AT指令，AT即Attention，該指令一般應(yīng)用于終端設(shè)備與PC應(yīng)用之間的連接與通信。通過PC機上位機軟件發(fā)送AT指令，從而對藍牙模塊工作模式及工作參數(shù)進行設(shè)置。

3.2 北斗信息處理模塊

該模塊是北斗終端軟件的重要組成部分，需要完成發(fā)送和接收北斗衛(wèi)星通信信息。該部分主要是基于STM32F103RBT處理器的嵌入式軟件設(shè)計，需要完成硬件驅(qū)動的程序設(shè)計、北斗信息包的解析處理以及北斗信息顯示界面的設(shè)計。

按照北斗通信協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式，可以解析出的北斗數(shù)據(jù)信息，在STM32串口中斷函數(shù)中實現(xiàn)這一解析的過程，即不斷的判斷接收數(shù)據(jù)是否與北斗數(shù)據(jù)幀格式相吻合，通過最后接收到的數(shù)據(jù)校驗來判斷接收數(shù)據(jù)幀正確性。其具體實現(xiàn)思想如下：

(1)判斷是否接收到幀頭信息，若是則繼續(xù)接收，且已接收字符數(shù)加1。

(2)判斷是否接收到與幀頭對應(yīng)的北斗數(shù)據(jù)的長度Len，若是則繼續(xù)接收，且已接收字符數(shù)加1。

(3)接收的都是北斗的信息內(nèi)容，可直接判斷已接收數(shù)據(jù)長度是否等于Len-1，若是則說明接收到最后一個校驗信息，則要將前面接收的數(shù)據(jù)累加，判斷其和是否等于校驗信息;若長度不等于Len-1，則繼續(xù)接收。

(4)若接收數(shù)據(jù)完畢且正確，則將接收成功的標志位置1，然后讀取對應(yīng)的北斗信息，顯示在液晶屏上。

(5)只要接收數(shù)據(jù)的幀頭或是長度信息不匹配，或是最終校驗和錯誤，則接收緩沖區(qū)都要清除重新接收，對應(yīng)變量也都清零重新開始計算。

4 結(jié)語

我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)打破了GPS、GLONASS等衛(wèi)星導航系統(tǒng)在該領(lǐng)域的壟斷地位，具備了精密授時、快速定位、高可靠導航等優(yōu)點，而獨有的短信通信功能使其應(yīng)用更加廣泛。北斗終端作為北斗導航系統(tǒng)的重要組成部分引起了廣泛關(guān)注，相信在不久的將來北斗衛(wèi)星導航會搭配完善的服務(wù)，以輕巧好用，實惠便捷的姿態(tài)融人老百姓的生活中。