用直擴MODEM和GPS實現(xiàn)的網(wǎng)型無線通信系統(tǒng)

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)無線通信系統(tǒng)工作原理、組成及實現(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。

GPS（全球定位系統(tǒng)）是美國國防部為軍事目的而建立的，實現(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，GPS還可以提供精確的秒脈沖信號，結(jié)合GPS數(shù)據(jù)中的時鐘信息，實現(xiàn)所需的系統(tǒng)時隙同步。

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)為每個工作站設(shè)置不同的工作時隙，在GPS定時信息的協(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，劃分周期的長短；在一個周期內(nèi)，又分為若干個時隙，每個工作站分配一個發(fā)送時隙。在本系統(tǒng)中，周期為1s，每個時隙50ms，每個工作站利用GPS秒脈沖和數(shù)據(jù)信息，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的發(fā)磅時隙完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。當(dāng)一個工作站發(fā)送時，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(zhuǎn)換，最高工作速率可達76.8kbps，本系統(tǒng)采用9.6kbps，數(shù)據(jù)格式為1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個停止位、無奇偶校驗位。通信控制器負責(zé)整個系統(tǒng)的控制工作，它完成三方面的工作：其一是接收GPS的秒脈沖信號和GPS的時間信息，為系統(tǒng)提供時隙定時；其二是與DTE終端進行數(shù)據(jù)交換；最后實現(xiàn)與直擴MODEM的數(shù)據(jù)交換。GPS接收機為通信控制提供秒脈沖信號和GPS的時間信息。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(tǒng)每個工作站發(fā)送一次的數(shù)據(jù)量為40字節(jié)，MODEM速率9.6kbps。考慮到MODEM的收發(fā)轉(zhuǎn)換時間和每個時隙的保護時間，每個時隙大小定為50ms，定義一個周期為1s，系統(tǒng)容量為20個工作站。系統(tǒng)內(nèi)每個工作站采用相同的PN碼，并且每個工作站預(yù)先設(shè)置一個發(fā)送時隙。當(dāng)系統(tǒng)的工作時隙與工作站的預(yù)置時隙相同時，該工作站處于發(fā)送狀態(tài)；而在其他時隙，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)計與實現(xiàn)

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(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MODEM，8251（II）接收直擴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隙設(shè)置規(guī)定了該工作站的發(fā)送時隙。兩片MAX238實現(xiàn)RS-232與TTL電平轉(zhuǎn)換，其中，秒脈沖為89C51（I）提供時隙定時中斷，在系統(tǒng)時間為該工作站發(fā)送時隙時，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(zhuǎn)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(shù)預(yù)置等電路組成。該擴頻芯片的碼長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，如果達不到想要的傳輸距離，可外接功放；直擴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，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，僅讀取它時間信息，結(jié)合GPS秒脈沖，實現(xiàn)系統(tǒng)的時隙定時。GPS的數(shù)據(jù)格式如下：

其中，STX：ASCII中的STX字符

id：數(shù)據(jù)項標(biāo)識（單個字符）

dddd：數(shù)據(jù)項內(nèi)容

it：數(shù)據(jù)項結(jié)構(gòu)（（CR）或（CR）（LF））

ETX：ASCII中的ETX字符

3 工作站的軟件設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，每個工作站在發(fā)送時隙要完成鏈路建立、RTS請求發(fā)送和數(shù)據(jù)發(fā)送三部分，在其它時隙接收其它工作站發(fā)送的信息。系統(tǒng)時序如圖4所示。

    秒脈沖重復(fù)周期1秒鐘，每個工作站的發(fā)送時間50ms。在每個工作站的發(fā)送時隙，該工作站首先讓建鏈/拆鏈信號產(chǎn)生一個負脈沖，使直擴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，告知直擴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)送時隙結(jié)束時，該工作站要完成二個任務(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/拆鏈信號產(chǎn)生一個負脈沖，使直擴MODEM拆鏈，該工作站的發(fā)送任務(wù)結(jié)束，直擴MODEM由發(fā)送狀態(tài)轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，最后留有一點保護時間。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)送時序，直到系統(tǒng)內(nèi)20個工作站在1秒內(nèi)完全發(fā)送一次。下一個秒脈沖到來時，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)置的時隙編號輪流發(fā)送。

由圖4系統(tǒng)工作時序可見，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MODEM的軟件流程，它們實現(xiàn)的任務(wù)不同。

    通信控制器實現(xiàn)的功能有：

·接收GPS秒脈沖中斷和時間信息；

·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；

·向直擴MODEM發(fā)送該工作站要發(fā)往其它工作站的信息；

·向直擴MODEM請求建鏈、拆鏈和傳數(shù)的控制信息，即建鏈/拆鏈信號、/RTS信號；

·利用GPS秒脈沖中斷實現(xiàn)系統(tǒng)定時；

·利用89C51（I）片內(nèi)定時器，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，這里只寫出通信控制器要求它實現(xiàn)的功能，主要包括：

·根據(jù)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(zhuǎn)換，與其它工作站建立半雙工鏈路。

    ·根據(jù)通信控制器發(fā)送的/RTS信號，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，秒脈沖定時中斷子程序生產(chǎn)系統(tǒng)時間基準(zhǔn)的起始點，由它啟動系統(tǒng)定時。定時器中斷子程序根據(jù)該工作站的發(fā)送時隙，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(zhuǎn)換，主程序首先初始化89C51（I）、8251，開放秒脈沖中斷和定時器中斷，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(jù)通信控制器送來的建鏈、拆鏈信號，建立與其它工作站的半雙工鏈路，實現(xiàn)擴頻模塊的收、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)用的一個典型例子。

傘兵從飛機上跳傘時，由于跳傘的時間不同，風(fēng)速、風(fēng)向的變化，所以，他們落地時會在一起的范圍內(nèi)。每人佩帶這樣一個工作站，在飛機起飛前，將傘兵降落地區(qū)的地形圖存在工作站的DTE終端中，并且為每個傘兵分配一個工作時隙。這樣，在他們落地后，工作站就會自動將每個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)實際使用情況，本系統(tǒng)可在以下幾方面進行改進：

·本系統(tǒng)的一個周期定為1s。在實際使用時，可以利用秒脈沖和GPS的時間信息，增加一個周期的時間；另外，每個工作站發(fā)送的時隙的長短也可根據(jù)數(shù)據(jù)的多少、傳輸速率的大小設(shè)置。