基于STM 32的北斗短報文轉發(fā)器設計

史永祥，葉宇煌

(福州大學物理與信息工程學院,福建福州350116)

基于STM 32的北斗短報文轉發(fā)器設計

史永祥，葉宇煌

(福州大學物理與信息工程學院,福建福州350116)

采用STM 32F103RBT6微處理器和北斗模塊，GPRS模塊，RS-232接口模塊，電源模塊，完成了北斗短報文轉發(fā)器的設計并做出了樣機，實現(xiàn)了基本的北斗通信，定位，授時，而且實現(xiàn)了北斗短報文與手機短信的互發(fā)等功能。該產(chǎn)品安全可靠，操作簡單明了，實用性強，并已在試用階段。

北斗短報文；SIM 900A；STM 32

“北斗”是我國自主研制的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，是服務經(jīng)濟建設、社會發(fā)展和公共安全的重要空間基礎設施。大力推動“北斗”規(guī)模化應用，對于推動科學技術創(chuàng)新、促進產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整、提高社會生產(chǎn)效率、改善人民生活質(zhì)量、提升國家核心競爭力、維護國家安全等具有重要的作用。“北斗”開啟了我國導航與位置服務產(chǎn)業(yè)的新紀元，將進一步推動我國地理信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。隨著北斗產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的領域引進了北斗設備。與GPS設備相比，北斗的優(yōu)勢之一就是具備短報文通信?；诒倍沸l(wèi)星網(wǎng)絡的短報文通訊方式，與手機短信的網(wǎng)絡是完全分開的，因此北斗設備和手機端無法實現(xiàn)短信互發(fā)。本設備就是為了實現(xiàn)兩者的短信互發(fā)而研發(fā)的一款產(chǎn)品。

1　系統(tǒng)結構

整個設計由ARM微處理器STM32F103RBT6，北斗模塊，GPRS模塊，RS-232接口模塊，電源模塊組成。其中，STM32F103RBT6作為主處理器負責處理數(shù)據(jù)的接收處理和轉發(fā)，北斗模塊包含北斗一代和北斗二代模塊和北斗天線，能夠實現(xiàn)北斗短報文，定位和授時，GPRS模塊負責接收和發(fā)送短信，RS-232接口模塊負責電平轉換使本產(chǎn)品能與電腦端進行通信，電源模塊能提供穩(wěn)定的電壓輸入，使外接電源設備可以有一個寬松的電壓范圍選擇，保護電路能夠保證產(chǎn)品的安全可靠性，同時也起到保護產(chǎn)品的作用。整個系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1北斗轉發(fā)器結構框圖

2　系統(tǒng)的硬件設計

2.1微控制器電路設計

STM32F103RBT6其具有杰出的功耗控制以及眾多的外設，更重要的是其性價比高。配置有128K FLSSH、20K SRAM、2個SPI、3個串口、1個USB、1個CAN、2個12位的ADC，RTC、51個可用IO腳[2]，足夠勝任本設計中的主控芯片。

系統(tǒng)的外部時鐘源從兩個地方來提供，分別是PCI4、PCI5端口接32.768kHz的晶振和10pF陶瓷電容構成RC振蕩器提供低速外部時鐘(LSE)，這個主要為RTC提供時鐘源。OSC_IN和OSC_OUT端口接8MHZ的晶振和22pF陶瓷電容構成RC振蕩器提供高速外部時鐘(HSE)，這個主要是為IO口提供時鐘源。

在STM32F10系列中，3種不同的啟動模式可以選擇通過BOOT[1:0]引腳，如表1所示。

表1 BOOT的引腳配置

如果想讓STM32一按復位鍵就開始跑代碼，則需要配置BOOT0為0，BOOT1隨便設置都可以。而且因為板上使用SWD模式燒寫程序，所以可以不用更改BOOT配置就能達到下載程序的目的，BOOT1和BOOT0各接100K電阻到地。SWD只需要最少2根線（SWCLK和SWDIO）就可以下載并調(diào)試代碼了，這同使用串口下載代碼差不多，而且速度更快，能調(diào)試，這為PCB板節(jié)約了不少空間。

2.2北斗模塊電路設計

北斗模塊負責北斗信號的發(fā)送和接收，其中包括了北斗一代模塊，北斗二代模塊和北斗三頻點天線。FB3511模塊是福大北斗自主研發(fā)的北斗核心模塊，該模塊集成了RDSS射頻收發(fā)芯片、功放芯片、基帶電路等。模塊可選內(nèi)置RNSS&GPS模塊，可以實現(xiàn)RDSS&GPS&RNSS同時工作。該模塊集成度高、功耗低、兼容接收RDSS、RNSS/GPS衛(wèi)星導航信號，實現(xiàn)機動載體的實時高精度定位、測速等，非常適應于系統(tǒng)大規(guī)模應用的需求。FB0504天線是福大北斗自主研發(fā)的北斗天線，體積小，性能好，性價比高。使用FB3511模塊+FB0504天線的組合能夠實現(xiàn)北斗一代模塊的收發(fā)和北斗二代模塊的定位，而且整體性能優(yōu)良，通信成功率高。系統(tǒng)設計使用北斗RDSS系統(tǒng)3類非加密用戶卡，該類卡最快每分鐘傳送一次短報文，報文長度為78.5B[3]。

圖2 STM32F103RBT6電路設計

DF9-25P-1V插座用于板上與福大北斗FB3511模塊相連，共有25腳，這個嚙合區(qū)設計成梯形結構，盡管微型尺寸，但能完美地防止誤插。簡單的鎖定結構，保證插入和拔取的質(zhì)量以及插入/拔出的手感。接頭的部分避免了材料表面的直接接觸，并提供了一個平滑的插入和使用感覺[4]。下面是模塊引腳的定義：

（1）串口：RXD0，TXD0，RXD1，TXD1。串口分為兩組，一組為北斗一代通信串口，一組為北斗二代通信串口，因為北斗一代和二代的數(shù)據(jù)格式不一樣，所以分開兩路便于識別和數(shù)據(jù)處理。3.3VTTL電平，默認波特率為115200。

（2）SIM卡接口：IC_SRST，IC_SD，IC_SCLK。FB3511模塊自帶卡槽，因此板上可以不用放置SIM卡槽。

（3）電源地接口：12V直流電壓的5個引腳，5V直流電壓的4個引腳，地線的7個引腳。

本設計北斗射頻模塊的PA供電要求在11V～13.6V之間，發(fā)射瞬間電流達到2.5 A，考慮到DF9每個引腳的額定電流為0.5A，故使用5個引腳作并聯(lián)以提供足夠大的電流。

（4）2個1PPS引腳。1PPS是秒脈沖引腳，外接LED燈可以檢查芯片是否工作正常。

2.3 GPRS模塊設計電路

GPRS模塊采用SIM900A模塊[5]，該模塊可以實現(xiàn)打電話，收發(fā)短信，GPRS數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)透傳等功能，在本設計中只使用收發(fā)短信功能，但是手機SIM卡還是要配備的。本模塊供電范圍3.7～4.2V，采用5V串聯(lián)1N4007二極管組合供電，串口為LVTTL電平。引腳定義如圖4，只用到VCC、GND、TXD、RXD 4個引腳，其余放空。

2.4電源電路設計

本產(chǎn)品所需的電源有：北斗射頻模塊的PA供電要求在11～13.6V之間，發(fā)射瞬間電流達到2.5A，約300ms；北斗模塊接收電路，SIM900A模塊需要5V供電，所需電流幾百毫安；STM32微控制器，MAX3232模塊，LED燈需要3.3V供電，所需電流很小。

TPS5450是一款DC-DC降壓高輸出電流PWM變換器，它集成了低阻抗的N溝道MOS管，是高性能電壓誤差放大器,在瞬態(tài)條件下提供了緊密的電壓調(diào)節(jié)精度。它有很寬的輸入電壓范圍，從5.5～36V都沒問題，在輸出12 V的時候有5 A的待載能力。因此應用到降壓12 V沒有問題，當然應用在降壓5V上是措措有余?？紤]到PA發(fā)射時12 V電路的不穩(wěn)定性，本設計采用并聯(lián)的方式將12和5 V DCDC電路分開來，避免影響到5 V電路的不穩(wěn)定性。

TPS79333芯片是LDO3.3 V穩(wěn)壓芯片，比起其他DCDC-3.3 V，紋波抑制更好，外圍電路更簡單，更適合給芯片供電。

圖3 FDBD3511模塊引腳圖

圖4 GPRS模塊引腳圖

圖5電源電路設計

3　系統(tǒng)的軟件設計

本次設計用到了STM32F103RBT6全部的串口，共3個，其設計架構如圖所示。外設，例如電腦，通過DB9串口與本設備硬件連接，經(jīng)RS-232電平轉換，與串口3相連。串口3收到數(shù)據(jù)后轉呈給CPU，CPU會對報頭進行判斷，是否為正確的一代指令或二代指令。對不符合報頭的指令進行舍棄，對于正確的指令，CPU會根據(jù)報頭，如果是一代指令，會把數(shù)據(jù)傳給串口1進而發(fā)給北斗一代模塊進行相應的操作；如果是二代指令，會把數(shù)據(jù)傳給串口2進而發(fā)給北斗二代模塊進行相應操作。反之就是整個數(shù)據(jù)流向的逆過程。如果是北斗一代和北斗二代數(shù)據(jù)同時到達，CPU會對其進行管理，只有傳遞完一條完整的報文后才會允許有數(shù)據(jù)的穿插，如圖6。

圖6系統(tǒng)軟件設計框圖

北斗一代短報文轉發(fā)器的PC端軟件主界面如圖7，頁面左側區(qū)域為系統(tǒng)操作北斗設備，頁面右上側為短信模塊相關功能，頁面下側為顯示區(qū)域，中間區(qū)域為自定義的指揮機菜單。

圖7北斗一代短報文轉發(fā)器的PC端軟件主界面

使用集采測試軟件或者其他相應的軟件給轉發(fā)器系統(tǒng)發(fā)送短報文，發(fā)送方式為混發(fā)，接收卡號為本系統(tǒng)搭載北斗設備安裝的北斗SIM卡卡號。報文內(nèi)容格式為：@手機號@短信內(nèi)容。本軟件系統(tǒng)在接收到正確的報文數(shù)據(jù)后會將該信息轉發(fā)到對應的手機上。手機給本轉發(fā)器系統(tǒng)短信模塊所帶的手機SIM卡發(fā)送短信，短信格式為：@北斗卡號@短信內(nèi)容，本轉發(fā)器系統(tǒng)接收到手機信息后，自動將短信轉發(fā)給對應卡號的北斗終端。轉發(fā)給北斗終端的速度取決于轉發(fā)器套件中使用的北斗SIM卡的通信頻度，如果同時收到多條轉發(fā)北斗的短信，那么這些短信需通過排隊的方式，根據(jù)用戶卡的頻度要求，逐一發(fā)送出去。

4　結論

本設計采用STM32F103RBT6微處理器和北斗模塊，GPRS模塊，RS-232接口模塊，電源模塊組成，完成了北斗一代北斗轉發(fā)器的設計并做出了樣品，實現(xiàn)了基本的北斗通信，定位，授時，而且實現(xiàn)了北斗短報文與手機短信的互發(fā)等功能，達到了預計的目的。該產(chǎn)品可靠性高，使用簡單方便，具有一定的創(chuàng)造性和實用性，值得深入研究與推廣。

［1］中國的“天眼”——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)［J］.軍民兩用技術與產(chǎn)品，2012（5）：12－16．

［2］ST Company．AN 2586 Application note［DB／OL］．http://www.st.com/st-web-ui/static/active/cn/resource/technical/ document/application_note/CD00164185.pdf[2015-1-7]

［3］姚作新．基于北斗衛(wèi)星短信通信方式的無人值守自動氣象站網(wǎng)［J］．氣象科技，2012，40（3）：340－344．

［4］HRSCompany．1mm Pitch SMT b oard to b oard c onnector（Standard i nterface c onnector c ompliant with VESA FPDI－1）［DB／OL］．http://www.icpdf.com/HRS_datasheet/DF9C-9P-1V_pdf_575310/[2015-03-06]

［5］潘朝，黃佳，李平，等．基于GSM短信的智能家居控制系統(tǒng)的設計［J］．電子測量技術，2013，36（6）：121-124．

（責任編輯：朱聯(lián)九）

Design of Transponder of BeidouSatellite SMS Based on STM 32

SHIYong-xiang,YE Yu-huang
(College of Physics and Information Engineering,FuzhouUniversity,Fuzhou 350116,China)

The STM 32F103RBT6m icroprocessor and compassmodule,GPRSmodule,RS-232 interfacemodule,powermodule are used to complete the design of transponder of Beidou Satellite SMS,and a prototype ismade.It implements Beidou communication,positioning,timing,what’smore,the Beidou shortmessage and mobile phone textmessages succeed to send each other.The product is safe,reliableand practical,operatessimply,and is currently in the trial stage.

Beidou Satellite SMS；SIM 900A；STM 32

TN 927.22

A

1673-4343（2015）06-0065-05

10．14098／j．cn35－1288／z．2015．06．014

2015-09-08

史永祥，男，福建泉州人，碩士研究生。主要研究方向：通信信息與系統(tǒng)。通訊作者：葉宇煌，男，福建福安人，副教授。主要研究方向：微波通信研究。