一種面向遇險時信息采集與無線傳輸?shù)碾娐废到y(tǒng)設(shè)計

周兆軍，張勛勛，張濤

（陜西烽火電子股份有限公司技術(shù)研究所，陜西西安，710114）

0 引言

隨著人類全球化活動頻繁進行，各種突發(fā)遇險事件也隨之增加，例如飛機遇險、漁船遇險、野外探險遇險、地質(zhì)災(zāi)害遇險等。當(dāng)出現(xiàn)遇險情況時，如果遇險者可以及時地向外界發(fā)出特定的信息，搜救者通過所獲取的遇險信息，可以快速地、準(zhǔn)確地、有效地開展救援行動。目前，國際上通用的無線電救生方法是通過衛(wèi)星對遇險設(shè)備進行定位，并將遇險設(shè)備的位置信息轉(zhuǎn)發(fā)到地面站或搜救設(shè)備。通常飛機、船舶基本都配有國際上專用頻段的無線電遇險設(shè)備。

基于以上背景，本文設(shè)計一種遇險信息采集與無線傳輸一體化的電路系統(tǒng)。該電路系統(tǒng)可將所采集到的特定遇險信息（位置信息、生理信息、環(huán)境信息），通過微控制芯片（STM32）進行數(shù)據(jù)解析與分組處理，利用FPGA 實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)通信算法處理，并通過可編程射頻收發(fā)芯片將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬射頻信號發(fā)射到所設(shè)定的工作頻點上，電路系統(tǒng)的設(shè)計原理圖如圖1 所示。

圖1 遇險信息采集與無線傳輸電路設(shè)計原理圖

1 遇險信息采集電路

本設(shè)計中所獲取的遇險信息有三種：北斗定位模塊獲得的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息、藍牙模塊獲得的遇險人員的生理體征信息和浸水檢測電路獲取的環(huán)境信息。

■1.1 北斗定位模塊

本設(shè)計采用和芯星通公司的高性能北斗衛(wèi)星無線電導(dǎo)航RNSS 模塊進行遇險定位[2]，該模塊屬于雙系統(tǒng)、高性能SoC（片上系統(tǒng)），具體型號為UM220-IV M，可同時支持BD2 B1、GPS L1 兩種工作模式[3]，工作頻率范圍為1559MHz～1577MHz，采用B1&GPS 方形陶瓷天線與衛(wèi)星進行無線電收發(fā)。模塊采用SMT 焊盤，外形尺寸緊湊，適合郵票貼方式集成到電路板上。模塊在進行定位工作時，每隔1s 將經(jīng)緯度坐標(biāo)信息通過UART(異步串口)按照115200bps 的數(shù)據(jù)速率發(fā)送給微控制芯片，其數(shù)據(jù)格式按照國際標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183 協(xié)議[4]。

■1.2 藍牙模塊

常見的便攜式、可穿戴的生理信息監(jiān)測設(shè)備有腕表、頭戴、芯片鞋等產(chǎn)品，可以實時監(jiān)測人員的心率、血壓、血氧、體溫等生理體征信息[5]。此類監(jiān)測產(chǎn)品都具備藍牙互連、短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，因此可以通過藍牙傳輸?shù)姆绞讲杉接鲭U時人員的生理信息。

本設(shè)計選用思卡樂公司的低功耗藍牙通信模塊，其型號為SBM14580S。模塊中集成Flash，可將接到信息進行存儲，其內(nèi)部集成了陶瓷天線。整個藍牙模塊設(shè)計小巧，通過郵票貼方式集成到電路板上。微控制芯片可以通過UART 按照相應(yīng)的傳輸協(xié)議對藍牙模塊進行控制以及生理信息數(shù)據(jù)接收。

■1.3 浸水檢測電路

遇險時對人員所處的環(huán)境監(jiān)測也是非常重要的。浸水環(huán)境是一種多見的遇險環(huán)境，救援人員若能及時得知遇險環(huán)境，則可以提前做好水中營救的準(zhǔn)備，提高遇險者的獲救概率。

浸水檢測電路設(shè)計中采用德州儀器公司的一款低功耗電壓比較器，可以精密監(jiān)控+IN、-IN 兩端輸入電壓變化，快速進行輸出響應(yīng)，具體型號為TLV7031DCKR-PDSO-G5。正常狀態(tài)下浸水連接器的兩個觸點處于空氣中，屬于絕緣狀態(tài)，+IN 端口上的電壓小于-IN 端口上的電壓，OUT 引腳輸出為低電平。在浸水環(huán)境中，兩個觸點之間形成導(dǎo)通阻值，使得+IN 端口上的電壓大于-IN 端口上的電壓，OUT 引腳輸出為高電平。OUT 引腳連接到微控制芯片輸入，微控制芯片通過監(jiān)測電平高低，判斷遇險人員是否為落水狀態(tài)。

2 無線傳輸電路

傳統(tǒng)的無線傳輸電路都是針對某種特定的通信方式所設(shè)計的，功能單一且固化。例如，BPSK 單載波通信系統(tǒng)與OFDM 多載波通信系統(tǒng)的電路設(shè)計差異巨大，AM/FM 窄帶通信系統(tǒng)與CDMA 寬帶通信系統(tǒng)的電路設(shè)計也完全不同。本設(shè)計不局限于某種特定通信方式，采用目前先進的軟件無線電（SDR）架構(gòu)思路進行無線傳輸電路設(shè)計[6]，可支持多類型的通信方式。軟件無線電硬件電路作為通用性通信平臺，一方面，需要能夠兼容各種不同類型的通信軟件算法的實現(xiàn)，另一方面，需要可以支持射頻信道中各種功能參數(shù)靈活配置，例如ADC/DAC 采樣頻率、射頻工作頻點、工作帶寬等等。因此，現(xiàn)代化軟件無線電技術(shù)的電路設(shè)計中核心包括兩部分：高性能的數(shù)字信號處理單元和參數(shù)可靈活配置的射頻信道。

■2.1 數(shù)字信號處理單元

數(shù)字信號處理單元主要用來實現(xiàn)數(shù)字通信中不同類型的調(diào)制解調(diào)算法。本設(shè)計中數(shù)字信號處理單元選用Xilinx 公司K7 系列的FPGA 芯片，其型號為XC7K325T。該芯片采用6 輸入的查找表（LUT）配置分布式寄存器技術(shù)[7]，具有功耗低、高性能、多IO 引腳、資源豐富等特點，適用于高速數(shù)字信號處理以及復(fù)雜算法實現(xiàn)，XC7K325T 主要性能指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 XC7K325T主要性能指標(biāo)參數(shù)

■2.2 可編程射頻收發(fā)芯片

射頻信道主要完成數(shù)字信號與模擬信號之間的轉(zhuǎn)變以及模擬信號的濾波、變頻、放大等處理。本設(shè)計選用ADI公司的一款低功耗、高度集成的數(shù)?；旌弦惑w化射頻收發(fā)芯片，型號為AD9361[8]。該芯片將傳統(tǒng)的分立式射頻器件集成在單顆芯片上，并且具備內(nèi)部功能高度可編程性，其工作頻點范圍為70MHz～6GHz，最大輸出功率為7dBm。用戶可以根據(jù)不同的通信方式和應(yīng)用需求，對其內(nèi)部電路進行編程配置，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳漕l信道靈活可控。AD9361 芯片內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 AD9361 芯片內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)原理圖

接收鏈路集成包括：低噪聲放大器（LNA）、接收射頻本振（RXLO）、混頻器（Mixer）、晶體管放大器（AMP）、低通濾波器（BBLPF）、模擬信號采樣（ADC）、三級半帶濾波器（HB3、HB2、HB1）、FIR 濾波器（FIR）。接收時，射頻信號按照箭頭所指方向依次通過上述電路處理轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字基帶信號送入FPGA。

發(fā)射鏈路集成包括：FIR 濾波器（FIR）、三級半帶濾波器（HB3、HB2、HB1）、數(shù)字信號轉(zhuǎn)模擬（DAC）、第一級低通濾波器（BB LPF）、第二級低通濾波器（LPF）、混頻器（Mixer）、發(fā)送射頻本振（TXLO）、衰減器（Attenuation）。發(fā)送時，數(shù)字基帶信號按照箭頭所指方向依次通過上述電路處理轉(zhuǎn)變成射頻信號發(fā)射出去。

以上所述的芯片內(nèi)部電路的功能都可以通過編程靈活配置。

3 主控電路

遇險信息采集電路與無線傳輸電路之間還需要通過一個主控電路進行遇險工作管理與控制，其主要功能有：控制遇險信息采集電路工作并輪詢式接收遇險信息、按照協(xié)議規(guī)定解析各種遇險信息并進行數(shù)據(jù)分組處理送往FPGA、按照需要配置可編程射頻收發(fā)芯片。本設(shè)計選用意法半導(dǎo)體的微控制芯片STM32F103R，該芯片使用高性能ARM Cortex-M3 32 位的RISC 內(nèi)核處理器[9]，且具有各種標(biāo)準(zhǔn)化外設(shè)通信接口，工作時需要外部提供一個32.768KHz 的晶體，用于RTC 時鐘源，STM32F103R 主要功能參數(shù)見表2。

表2 STM32F103R主要功能參數(shù)

4 系統(tǒng)電路設(shè)計與應(yīng)用

上述章節(jié)中分別對遇險信息采集電路、無線傳輸電路和主控電路的設(shè)計進行詳細(xì)地描述，在此基礎(chǔ)上將各部分電路通過交聯(lián)實現(xiàn)遇險信息采集與無線傳輸一體化的電路系統(tǒng)，核心電路如圖3 所示。

圖3 遇險信息采集與無線傳輸電路系統(tǒng)核心電路圖

■4.1 系統(tǒng)電路交聯(lián)設(shè)計

北斗定位模塊、藍牙模塊、浸水電路分別與微控制芯片通過UART_1、UART_2 和電平信號進行數(shù)據(jù)交互，微控制芯片通過SPI_1 接口與FPGA 進行數(shù)據(jù)交互，通過SPI_2接口對射頻收發(fā)芯片進行信道功能配置，F(xiàn)PGA 與射頻收發(fā)芯片之間分別通過數(shù)據(jù)總線RX(IQ)和TX(IQ)進行基帶數(shù)據(jù)收發(fā)。

由于射頻收發(fā)芯片的輸出功率最大只有7dBm，難以滿足遠距離通信的發(fā)射功率要求，因此在實際應(yīng)用時，需要在射頻收發(fā)芯片發(fā)送接口之后增加功率放大器。由于現(xiàn)有技術(shù)條件下所設(shè)計的功率放大器電路不具備通用性，都是根據(jù)實際工作頻段、輸出功率要求以及輸出的波形特征所定制的。本設(shè)計為了追求一體化、通用性的遇險信息采集與無線傳輸電路系統(tǒng)，因此對于功放電路部分不做研究與設(shè)計。

■4.2 系統(tǒng)電路開發(fā)與應(yīng)用

下面通過一個簡單的應(yīng)用實例說明該電路系統(tǒng)的使用方法與工作流程。

通信方式采用QPSK 調(diào)制解調(diào)，調(diào)制后數(shù)據(jù)速率為800Kbps，射頻帶寬為1MHz，工作頻點為243MHz。遇險信息發(fā)送流程為每隔5s 發(fā)送一次定位信息，每隔10s 發(fā)送一次生理信息，每隔30s 發(fā)送一次浸水狀態(tài)信息。

遇險信息采集與無線傳輸一體化的電路系統(tǒng)軟件開發(fā)主要有三點：

第一點：通過FPGA 實現(xiàn)QPSK 調(diào)制算法，并將調(diào)試成功的程序燒入FPGA；第二點：按照800Kb/s 的數(shù)據(jù)速率設(shè)計射頻收發(fā)芯片中DAC 的采樣速率6.4MHz；按照1MHz的射頻帶寬設(shè)計FIR 數(shù)字濾波器的抽頭系數(shù)，第一級低通濾波器BB LPF 和第二級濾波器LPF 的3db 截止頻率；將發(fā)送射頻本振配置成234MHz。將所得到的這些功能參數(shù)放置在微處理芯片中，通過SPI_2 接口進行加載配置。第三點：按照規(guī)定的遇險信息發(fā)送流程進行編程，并將調(diào)試成功的程序燒寫到微處理芯片內(nèi)部的Flash 中。

遇險信息采集與無線傳輸一體化的電路系統(tǒng)工作流程：

第一步：系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA 和微處理器分別自動加載各自芯片內(nèi)部的程序，北斗定位模塊、藍牙模塊和浸水檢測電路開始工作；第二步：微處理器通過SPI_2 接口將各功能參數(shù)配置到射頻收發(fā)芯片內(nèi)部寄存器中，隨后射頻收發(fā)芯片加載啟動；第三步：微處理器按照規(guī)定的時間間隔，采用輪詢的方式接收各種遇險信息；第四步：微處理器對遇險信息進行解析、數(shù)據(jù)分組處理后通過SPI_1 接口送往FPGA；第五步：FPGA 按照QPSK 調(diào)制算法對收到的數(shù)據(jù)進行處理，并通過數(shù)據(jù)總線TX(IQ)送到射頻收發(fā)芯片；第六步：射頻收發(fā)芯片按照已經(jīng)配置好的功能對數(shù)據(jù)進行一系列內(nèi)部處理與變換，最終以無線電方式發(fā)射出去。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種遇險時信息采集與無線傳輸?shù)碾娐废到y(tǒng)。該系統(tǒng)主要由遇險信息采集電路、無線傳輸電路和主控電路三部分組成。可獲取的遇險信息有三種：北斗定位信息、遇險人員的生理體征信息、浸水環(huán)境信息。無線傳輸電路采用了先進的軟件無線電架構(gòu)思路進行設(shè)計，可支持不同類型的通信方式。該電路系統(tǒng)作為通用性的遇險通信平臺具備靈活性、可靠性、實用性的特點。目前，該電路系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某機構(gòu)的遇險搜集行動當(dāng)中。