用直擴(kuò)MODEM和GPS實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)型無線通信系統(tǒng)

摘要：提出了由直擴(kuò)MODEM、GPS、通信控制器和DTE終端組成的網(wǎng)絡(luò)無線通信系統(tǒng)工作原理、組成及實(shí)現(xiàn)方法，給出了系統(tǒng)的硬件框圖和軟件流程圖，并介紹了它的一種典型應(yīng)用。關(guān)鍵詞：GPS接收機(jī) 直擴(kuò)MDOEM 網(wǎng)型 通信系統(tǒng) GPS（全球定位系統(tǒng)）是美國(guó)國(guó)防部為軍事目的而建立的，實(shí)現(xiàn)陸?？盏膶?dǎo)航和定位，可以提供兩種服務(wù)，其一為精密定位服務(wù)（PPS），使用P碼；其二為標(biāo)準(zhǔn)定位（SPS），使用C/A碼。同時(shí)，GPS還可以提供精確的秒脈沖信號(hào)，結(jié)合GPS數(shù)據(jù)中的時(shí)鐘信息，實(shí)現(xiàn)所需的系統(tǒng)時(shí)隙同步。 本文提出的系統(tǒng)正是根據(jù)GPS的這一特性，利用直擴(kuò)MODEM和通信控制器，為DTE終端提供無線數(shù)據(jù)通信功能。系統(tǒng)為每個(gè)工作站設(shè)置不同的工作時(shí)隙，在GPS定時(shí)信息的協(xié)調(diào)下，完成系統(tǒng)內(nèi)各工作站之間數(shù)據(jù)的收/發(fā)。該系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)無線系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于軍事、交通、商業(yè)等領(lǐng)域。 1 系統(tǒng)組成及工作原理 系統(tǒng)由若干工作站組成。根據(jù)工作站的多少，劃分周期的長(zhǎng)短；在一個(gè)周期內(nèi)，又分為若干個(gè)時(shí)隙，每個(gè)工作站分配一個(gè)發(fā)送時(shí)隙。在本系統(tǒng)中，周期為1s，每個(gè)時(shí)隙50ms，每個(gè)工作站利用GPS秒脈沖和數(shù)據(jù)信息，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的發(fā)磅時(shí)隙完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。當(dāng)一個(gè)工作站發(fā)送時(shí)，其余工作站都處于接收狀態(tài)，系統(tǒng)組成如圖1所示。 每個(gè)工作站包括：直擴(kuò)MODEM、通信控制器、GPS接收機(jī)和DTE終端。直擴(kuò)MODEM采用半雙工方式工作，通俗控制器控制它的收/發(fā)轉(zhuǎn)換，最高工作速率可達(dá)76.8kbps，本系統(tǒng)采用9.6kbps，數(shù)據(jù)格式為1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位、無奇偶校驗(yàn)位。通信控制器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制工作，它完成三方面的工作：其一是接收GPS的秒脈沖信號(hào)和GPS的時(shí)間信息，為系統(tǒng)提供時(shí)隙定時(shí)；其二是與DTE終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；最后實(shí)現(xiàn)與直擴(kuò)MODEM的數(shù)據(jù)交換。GPS接收機(jī)為通信控制提供秒脈沖信號(hào)和GPS的時(shí)間信息。DTE終端形成欲發(fā)送的信息并接收通信控制器送來的其它工作站的信息。無線直擴(kuò)MODEM為工作站的收發(fā)信機(jī)，它的收發(fā)狀態(tài)由通信控制器管理。工作站的組成框圖如圖2所示。 本系統(tǒng)每個(gè)工作站發(fā)送一次的數(shù)據(jù)量為40字節(jié)，MODEM速率9.6kbps?？紤]到MODEM的收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間和每個(gè)時(shí)隙的保護(hù)時(shí)間，每個(gè)時(shí)隙大小定為50ms，定義一個(gè)周期為1s，系統(tǒng)容量為20個(gè)工作站。系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)工作站采用相同的PN碼，并且每個(gè)工作站預(yù)先設(shè)置一個(gè)發(fā)送時(shí)隙。當(dāng)系統(tǒng)的工作時(shí)隙與工作站的預(yù)置時(shí)隙相同時(shí)，該工作站處于發(fā)送狀態(tài)；而在其他時(shí)隙，該工作站一直處于接收狀態(tài)，接收其它工作站發(fā)來的信息。 2 工作站的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 工作站由直擴(kuò)MODEM、通信控制器、GPS接收機(jī)和DTE終端等四部分組成，圖3是其電路連接圖。 GPS接收機(jī)和DTE數(shù)據(jù)終端與通信控制器采用RS-232接口，通信控制器使用2片8251。其中，8251（I）將收到的GPS信息送至MCU 89C51（I），89C51（I）通過自身串口將DTE終端的數(shù)據(jù)發(fā)往直擴(kuò)MODEM，8251（II）接收直擴(kuò)MDOEM收到的其它工作站的數(shù)據(jù)，并將其送往本工作站的DTE終端。通信控制器中的工作時(shí)隙設(shè)置規(guī)定了該工作站的發(fā)送時(shí)隙。兩片MAX238實(shí)現(xiàn)RS-232與TTL電平轉(zhuǎn)換，其中，秒脈沖為89C51（I）提供時(shí)隙定時(shí)中斷，在系統(tǒng)時(shí)間為該工作站發(fā)送時(shí)隙時(shí)，89C51（I）產(chǎn)生中斷INT給89C51（II），89C51（II）輸出/PTT有效信號(hào)，使射頻模塊完成收/發(fā)轉(zhuǎn)換。 直擴(kuò)MODEM主要由擴(kuò)頻芯片W9310、射頻模塊W9360、MCU 89C51（II）和直擴(kuò)MODEM的參數(shù)預(yù)置等電路組成。該擴(kuò)頻芯片的碼長(zhǎng)32位，PN由MCU設(shè)定，可以全雙工或半雙工方式工作。它的發(fā)射功率分為高低兩檔，如果達(dá)不到想要的傳輸距離，可外接功放；直擴(kuò)MODEM可根據(jù)系統(tǒng)的作用距離、傳輸速率及工作方式等靈活設(shè)置，89C51（II）除設(shè)置直擴(kuò)MODEM的工作狀態(tài)外，還接收通信控制器中89C51（I）送來的收發(fā)中斷INT信號(hào)，使射頻模塊完成收/發(fā)轉(zhuǎn)換，建立通信鏈路。 系統(tǒng)中接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)均由DTE終端提供。 GPS的數(shù)據(jù)中除時(shí)間信息外，還包括經(jīng)度、糾度及速度等其它信息。這里，僅讀取它時(shí)間信息，結(jié)合GPS秒脈沖，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)隙定時(shí)。GPS的數(shù)據(jù)格式如下： STXiddddditidddddit……iddddditETX其中，STX：ASCII中的STX字符 id：數(shù)據(jù)項(xiàng)標(biāo)識(shí)（單個(gè)字符） dddd：數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容 it：數(shù)據(jù)項(xiàng)結(jié)構(gòu)（（CR）或（CR）（LF）） ETX：ASCII中的ETX字符 3 工作站的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，每個(gè)工作站在發(fā)送時(shí)隙要完成鏈路建立、RTS請(qǐng)求發(fā)送和數(shù)據(jù)發(fā)送三部分，在其它時(shí)隙接收其它工作站發(fā)送的信息。系統(tǒng)時(shí)序如圖4所示。秒脈沖重復(fù)周期1秒鐘，每個(gè)工作站的發(fā)送時(shí)間50ms。在每個(gè)工作站的發(fā)送時(shí)隙，該工作站首先讓建鏈/拆鏈信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，使直擴(kuò)MODEM由接收狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)送狀態(tài)，并與其它工作站開始建立鏈路。在鏈路建立后，通信控制器送/RTS信號(hào)，告知直擴(kuò)MODEM，通信控制器隨后將發(fā)送DTE的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)發(fā)往其它工作站。在發(fā)送時(shí)隙結(jié)束時(shí)，該工作站要完成二個(gè)任務(wù)，其一是/RTS由低變高，通信控制器停止該工作站的DTE向外發(fā)送數(shù)據(jù)，第二是建鏈/拆鏈信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，使直擴(kuò)MODEM拆鏈，該工作站的發(fā)送任務(wù)結(jié)束，直擴(kuò)MODEM由發(fā)送狀態(tài)轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，最后留有一點(diǎn)保護(hù)時(shí)間。至此該工作站的發(fā)送工作全部結(jié)束，其它工作站開始重復(fù)該工作站的發(fā)送時(shí)序，直到系統(tǒng)內(nèi)20個(gè)工作站在1秒內(nèi)完全發(fā)送一次。下一個(gè)秒脈沖到來時(shí)，系統(tǒng)重復(fù)上一秒內(nèi)的發(fā)送順序，各工作站根據(jù)設(shè)置的時(shí)隙編號(hào)輪流發(fā)送。 由圖4系統(tǒng)工作時(shí)序可見，各工作站的程序分為兩部分：通信控制器的軟件流程和直擴(kuò)MODEM的軟件流程，它們實(shí)現(xiàn)的任務(wù)不同。通信控制器實(shí)現(xiàn)的功能有： %26;#183;接收GPS秒脈沖中斷和時(shí)間信息； %26;#183;接收直擴(kuò)MODEM收到的其它工作站的信息； %26;#183;向DTE發(fā)送直擴(kuò)MODEM收到的其它工作站的信息； %26;#183;向直擴(kuò)MODEM發(fā)送該工作站要發(fā)往其它工作站的信息； %26;#183;向直擴(kuò)MODEM請(qǐng)求建鏈、拆鏈和傳數(shù)的控制信息，即建鏈/拆鏈信號(hào)、/RTS信號(hào)； %26;#183;利用GPS秒脈沖中斷實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定時(shí)； %26;#183;利用89C51（I）片內(nèi)定時(shí)器，由89C51（I）輸出/RTS、建鏈/拆鏈控制信號(hào)。 直擴(kuò)MODEM除完成序列加解擴(kuò)、射頻信號(hào)的發(fā)送/接收等功能外，由于篇幅限制，這里只寫出通信控制器要求它實(shí)現(xiàn)的功能，主要包括： %26;#183;根據(jù)通信控制器發(fā)送的建鏈信號(hào)，控制射頻模塊W9360完成由接收到發(fā)送的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，與其它工作站建立半雙工鏈路。%26;#183;根據(jù)通信控制器發(fā)送的/RTS信號(hào)，將通信控制器送來的數(shù)據(jù)輻射出去。 根據(jù)以上的功能描述，通信控制器和直擴(kuò)MODEM的程序流程圖分別如圖5、圖6所示。 通信控制器的程序流程圖中，秒脈沖定時(shí)中斷子程序生產(chǎn)系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)的起始點(diǎn)，由它啟動(dòng)系統(tǒng)定時(shí)。定時(shí)器中斷子程序根據(jù)該工作站的發(fā)送時(shí)隙，產(chǎn)生中斷信號(hào)，89C51（I）向直擴(kuò)MODEM發(fā)送/發(fā)送/RTS和建鏈、拆鏈信號(hào)，控制直擴(kuò)MODEM完成收、發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，主程序首先初始化89C51（I）、8251，開放秒脈沖中斷和定時(shí)器中斷，然后采用查詢方法，控制數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，包括接收GPS秒脈沖中斷和時(shí)間信息、接收直擴(kuò)MODEM收到的其它工作站的信息、向DTE發(fā)送直擴(kuò)MODEM收到的其它工作站的信息以及向直擴(kuò)MODEM發(fā)送該工作站要發(fā)往其它工作站的信息。 直擴(kuò)MODEM的程序流程圖中，直擴(kuò)MODEM根據(jù)通信控制器送來的建鏈、拆鏈信號(hào)，建立與其它工作站的半雙工鏈路，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻模塊的收、發(fā)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)傳輸。 4 系統(tǒng)的一種典型應(yīng)用 傘兵救援是該系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)典型例子。 傘兵從飛機(jī)上跳傘時(shí)，由于跳傘的時(shí)間不同，風(fēng)速、風(fēng)向的變化，所以，他們落地時(shí)會(huì)在一起的范圍內(nèi)。每人佩帶這樣一個(gè)工作站，在飛機(jī)起飛前，將傘兵降落地區(qū)的地形圖存在工作站的DTE終端中，并且為每個(gè)傘兵分配一個(gè)工作時(shí)隙。這樣，在他們落地后，工作站就會(huì)自動(dòng)將每個(gè)傘兵的位置和他們收集到的信息傳送給其它傘兵，為他們順利完成任務(wù)提供有力保障。 本文基于GPS的網(wǎng)型無線通信系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中性能穩(wěn)定可靠，較好地滿足了使用要求。 根據(jù)實(shí)際使用情況，本系統(tǒng)可在以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)： %26;#183;本系統(tǒng)的一個(gè)周期定為1s。在實(shí)際使用時(shí)，可以利用秒脈沖和GPS的時(shí)間信息，增加一個(gè)周期的時(shí)間；另外，每個(gè)工作站發(fā)送的時(shí)隙的長(zhǎng)短也可根據(jù)數(shù)據(jù)的多少、傳輸速率的大小設(shè)置。