用直擴MODEM和GPS實(shí)現的網(wǎng)型無(wú)線(xiàn)通信系統

摘要：提出了由直擴MODEM、GPS、通信控制器和DTE終端組成的網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)通信系統工作原理、組成及實(shí)現方法，給出了系統的硬件框圖和軟件流程圖，并介紹了它的一種典型應用。關(guān)鍵詞：GPS接收機 直擴MDOEM 網(wǎng)型 通信系統 GPS（全球定位系統）是美國國防部為軍事目的而建立的，實(shí)現陸?？盏膶Ш胶投ㄎ?，可以提供兩種服務(wù)，其一為精密定位服務(wù)（PPS），使用P碼；其二為標準定位（SPS），使用C/A碼。同時(shí)，GPS還可以提供精確的秒脈沖信號，結合GPS數據中的時(shí)鐘信息，實(shí)現所需的系統時(shí)隙同步。 本文提出的系統正是根據GPS的這一特性，利用直擴MODEM和通信控制器，為DTE終端提供無(wú)線(xiàn)數據通信功能。系統為每個(gè)工作站設置不同的工作時(shí)隙，在GPS定時(shí)信息的協(xié)調下，完成系統內各工作站之間數據的收/發(fā)。該系統作為網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)系統，可廣泛應用于軍事、交通、商業(yè)等領(lǐng)域。 1 系統組成及工作原理 系統由若干工作站組成。根據工作站的多少，劃分周期的長(cháng)短；在一個(gè)周期內，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秒脈沖和數據信息，根據系統設置的發(fā)磅時(shí)隙完成數據的發(fā)送。當一個(gè)工作站發(fā)送時(shí)，其余工作站都處于接收狀態(tài)，系統組成如圖1所示。 每個(gè)工作站包括：直擴MODEM、通信控制器、GPS接收機和DTE終端。直擴MODEM采用半雙工方式工作，通俗控制器控制它的收/發(fā)轉換，最高工作速率可達76.8kbps，本系統采用9.6kbps，數據格式為1個(gè)起始位、8個(gè)數據位、1個(gè)停止位、無(wú)奇偶校驗位。通信控制器負責整個(gè)系統的控制工作，它完成三方面的工作：其一是接收GPS的秒脈沖信號和GPS的時(shí)間信息，為系統提供時(shí)隙定時(shí)；其二是與DTE終端進(jìn)行數據交換；最后實(shí)現與直擴MODEM的數據交換。GPS接收機為通信控制提供秒脈沖信號和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(lái)的其它工作站的信息。無(wú)線(xiàn)直擴MODEM為工作站的收發(fā)信機，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。 本系統每個(gè)工作站發(fā)送一次的數據量為40字節，MODEM速率9.6kbps?？紤]到MODEM的收發(fā)轉換時(shí)間和每個(gè)時(shí)隙的保護時(shí)間，每個(gè)時(shí)隙大小定為50ms，定義一個(gè)周期為1s，系統容量為20個(gè)工作站。系統內每個(gè)工作站采用相同的PN碼，并且每個(gè)工作站預先設置一個(gè)發(fā)送時(shí)隙。當系統的工作時(shí)隙與工作站的預置時(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(lái)的信息。 2 工作站的硬件設計與實(shí)現 工作站由直擴MODEM、通信控制器、GPS接收機和DTE終端等四部分組成，圖3是其電路連接圖。 GPS接收機和DTE數據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(guò)自身串口將DTE終端的數據發(fā)往直擴MODEM，8251（II）接收直擴MDOEM收到的其它工作站的數據，并將其送往本工作站的DTE終端。通信控制器中的工作時(shí)隙設置規定了該工作站的發(fā)送時(shí)隙。兩片MAX238實(shí)現RS-232與TTL電平轉換，其中，秒脈沖為89C51（I）提供時(shí)隙定時(shí)中斷，在系統時(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，使射頻模塊完成收/發(fā)轉換。 直擴MODEM主要由擴頻芯片W9310、射頻模塊W9360、MCU 89C51（II）和直擴MODEM的參數預置等電路組成。該擴頻芯片的碼長(cháng)32位，PN由MCU設定，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，如果達不到想要的傳輸距離，可外接功放；直擴MODEM可根據系統的作用距離、傳輸速率及工作方式等靈活設置，89C51（II）除設置直擴MODEM的工作狀態(tài)外，還接收通信控制器中89C51（I）送來(lái)的收發(fā)中斷INT信號，使射頻模塊完成收/發(fā)轉換，建立通信鏈路。 系統中接收和發(fā)送的數據均由DTE終端提供。 GPS的數據中除時(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，結合GPS秒脈沖，實(shí)現系統的時(shí)隙定時(shí)。GPS的數據格式如下： STXiddddditidddddit……iddddditETX其中，STX：ASCII中的STX字符 id：數據項標識（單個(gè)字符） dddd：數據項內容 it：數據項結構（（CR）或（CR）（LF）） ETX：ASCII中的ETX字符 3 工作站的軟件設計與實(shí)現 根據系統的工作原理，每個(gè)工作站在發(fā)送時(shí)隙要完成鏈路建立、RTS請求發(fā)送和數據發(fā)送三部分，在其它時(shí)隙接收其它工作站發(fā)送的信息。系統時(shí)序如圖4所示。秒脈沖重復周期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/拆鏈信號產(chǎn)生一個(gè)負脈沖，使直擴MODEM由接收狀態(tài)轉為發(fā)送狀態(tài)，并與其它工作站開(kāi)始建立鏈路。在鏈路建立后，通信控制器送/RTS信號，告知直擴MODEM，通信控制器隨后將發(fā)送DTE的數據，這些數據發(fā)往其它工作站。在發(fā)送時(shí)隙結束時(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)送數據，第二是建鏈/拆鏈信號產(chǎn)生一個(gè)負脈沖，使直擴MODEM拆鏈，該工作站的發(fā)送任務(wù)結束，直擴MODEM由發(fā)送狀態(tài)轉為接收狀態(tài)，最后留有一點(diǎn)保護時(shí)間。至此該工作站的發(fā)送工作全部結束，其它工作站開(kāi)始重復該工作站的發(fā)送時(shí)序，直到系統內20個(gè)工作站在1秒內完全發(fā)送一次。下一個(gè)秒脈沖到來(lái)時(shí)，系統重復上一秒內的發(fā)送順序，各工作站根據設置的時(shí)隙編號輪流發(fā)送。 由圖4系統工作時(shí)序可見(jiàn)，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MODEM的軟件流程，它們實(shí)現的任務(wù)不同。通信控制器實(shí)現的功能有： %26;#183;接收GPS秒脈沖中斷和時(shí)間信息； %26;#183;接收直擴MODEM收到的其它工作站的信息； %26;#183;向DTE發(fā)送直擴MODEM收到的其它工作站的信息； %26;#183;向直擴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MODEM請求建鏈、拆鏈和傳數的控制信息，即建鏈/拆鏈信號、/RTS信號； %26;#183;利用GPS秒脈沖中斷實(shí)現系統定時(shí)； %26;#183;利用89C51（I）片內定時(shí)器，由89C51（I）輸出/RTS、建鏈/拆鏈控制信號。 直擴MODEM除完成序列加解擴、射頻信號的發(fā)送/接收等功能外，由于篇幅限制，這里只寫(xiě)出通信控制器要求它實(shí)現的功能，主要包括： %26;#183;根據通信控制器發(fā)送的建鏈信號，控制射頻模塊W9360完成由接收到發(fā)送的狀態(tài)轉換，與其它工作站建立半雙工鏈路。%26;#183;根據通信控制器發(fā)送的/RTS信號，將通信控制器送來(lái)的數據輻射出去。 根據以上的功能描述，通信控制器和直擴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)系統時(shí)間基準的起始點(diǎn)，由它啟動(dòng)系統定時(shí)。定時(shí)器中斷子程序根據該工作站的發(fā)送時(shí)隙，產(chǎn)生中斷信號，89C51（I）向直擴MODEM發(fā)送/發(fā)送/RTS和建鏈、拆鏈信號，控制直擴MODEM完成收、發(fā)狀態(tài)轉換，主程序首先初始化89C51（I）、8251，開(kāi)放秒脈沖中斷和定時(shí)器中斷，然后采用查詢(xún)方法，控制數據的接收與發(fā)送，包括接收GPS秒脈沖中斷和時(shí)間信息、接收直擴MODEM收到的其它工作站的信息、向DTE發(fā)送直擴MODEM收到的其它工作站的信息以及向直擴MODEM發(fā)送該工作站要發(fā)往其它工作站的信息。 直擴MODEM的程序流程圖中，直擴MODEM根據通信控制器送來(lái)的建鏈、拆鏈信號，建立與其它工作站的半雙工鏈路，實(shí)現擴頻模塊的收、發(fā)工作狀態(tài)轉換，完成數據傳輸。 4 系統的一種典型應用 傘兵救援是該系統應用的一個(gè)典型例子。 傘兵從飛機上跳傘時(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。每人佩帶這樣一個(gè)工作站，在飛機起飛前，將傘兵降落地區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(wú)線(xiàn)通信系統在實(shí)際應用中性能穩定可靠，較好地滿(mǎn)足了使用要求。 根據實(shí)際使用情況，本系統可在以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)： %26;#183;本系統的一個(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(cháng)短也可根據數據的多少、傳輸速率的大小設置。