用直扩MODEM和GPS实现的网型无线通信系统

摘要：提出了由直扩MODEM、GPS、通信控制器和DTE终端组成的网络无线通信系统工作原理、组成及实现方法，给出了系统的硬件框图和软件流程图，并介绍了它的一种典型应用。

GPS（全球定位系统）是美国国防部为军事目的而建立的，实现陆海空的导航和定位，可以提供两种服务，其一为精密定位服务（PPS），使用P码；其二为标准定位（SPS），使用C/A码。同时，GPS还可以提供精确的秒脉冲信号，结合GPS数据中的时钟信息，实现所需的系统时隙同步。

本文提出的系统正是根据GPS的这一特性，利用直扩MODEM和通信控制器，为DTE终端提供无线数据通信功能。系统为每个工作站设置不同的工作时隙，在GPS定时信息的协调下，完成系统内各工作站之间数据的收/发。该系统作为网络无线系统，可广泛应用于军事、交通、商业等领域。

1 系统组成及工作原理

系统由若干工作站组成。根据工作站的多少，划分周期的长短；在一个周期内，又分为若干个时隙，每个工作站分配一个发送时隙。在本系统中，周期为1s，每个时隙50ms，每个工作站利用GPS秒脉冲和数据信息，根据系统设置的发磅时隙完成数据的发送。当一个工作站发送时，其余工作站都处于接收状态，系统组成如图1所示。

每个工作站包括：直扩MODEM、通信控制器、GPS接收机和DTE终端。直扩MODEM采用半双工方式工作，通俗控制器控制它的收/发转换，最高工作速率可达76.8kbps，本系统采用9.6kbps，数据格式为1个起始位、8个数据位、1个停止位、无奇偶校验位。通信控制器负责整个系统的控制工作，它完成三方面的工作：其一是接收GPS的秒脉冲信号和GPS的时间信息，为系统提供时隙定时；其二是与DTE终端进行数据交换；最后实现与直扩MODEM的数据交换。GPS接收机为通信控制提供秒脉冲信号和GPS的时间信息。DTE终端形成欲发送的信息并接收通信控制器送来的其它工作站的信息。无线直扩MODEM为工作站的收发信机，它的收发状态由通信控制器管理。工作站的组成框图如图2所示。

本系统每个工作站发送一次的数据量为40字节，MODEM速率9.6kbps。考虑到MODEM的收发转换时间和每个时隙的保护时间，每个时隙大小定为50ms，定义一个周期为1s，系统容量为20个工作站。系统内每个工作站采用相同的PN码，并且每个工作站预先设置一个发送时隙。当系统的工作时隙与工作站的预置时隙相同时，该工作站处于发送状态；而在其他时隙，该工作站一直处于接收状态，接收其它工作站发来的信息。

2 工作站的硬件设计与实现

工作站由直扩MODEM、通信控制器、GPS接收机和DTE终端等四部分组成，图3是其电路连接图。

GPS接收机和DTE数据终端与通信控制器采用RS-232接口，通信控制器使用2片8251。其中，8251（I）将收到的GPS信息送至MCU 89C51（I），89C51（I）通过自身串口将DTE终端的数据发往直扩MODEM，8251（II）接收直扩MDOEM收到的其它工作站的数据，并将其送往本工作站的DTE终端。通信控制器中的工作时隙设置规定了该工作站的发送时隙。两片MAX238实现RS-232与TTL电平转换，其中，秒脉冲为89C51（I）提供时隙定时中断，在系统时间为该工作站发送时隙时，89C51（I）产生中断INT给89C51（II），89C51（II）输出/PTT有效信号，使射频模块完成收/发转换。

直扩MODEM主要由扩频芯片W9310、射频模块W9360、MCU 89C51（II）和直扩MODEM的参数预置等电路组成。该扩频芯片的码长32位，PN由MCU设定，可以全双工或半双工方式工作。它的发射功率分为高低两档，如果达不到想要的传输距离，可外接功放；直扩MODEM可根据系统的作用距离、传输速率及工作方式等灵活设置，89C51（II）除设置直扩MODEM的工作状态外，还接收通信控制器中89C51（I）送来的收发中断INT信号，使射频模块完成收/发转换，建立通信链路。

系统中接收和发送的数据均由DTE终端提供。

GPS的数据中除时间信息外，还包括经度、纠度及速度等其它信息。这里，仅读取它时间信息，结合GPS秒脉冲，实现系统的时隙定时。GPS的数据格式如下：

 

STX

id

dddd

it

id

dddd

it

……

id

dddd

it

ETX

 

其中，STX：ASCII中的STX字符

id：数据项标识（单个字符）

dddd：数据项内容

it：数据项结构（（CR）或（CR）（LF））

ETX：ASCII中的ETX字符

3 工作站的软件设计与实现

根据系统的工作原理，每个工作站在发送时隙要完成链路建立、RTS请求发送和数据发送三部分，在其它时隙接收其它工作站发送的信息。系统时序如图4所示。

    秒脉冲重复周期1秒钟，每个工作站的发送时间50ms。在每个工作站的发送时隙，该工作站首先让建链/拆链信号产生一个负脉冲，使直扩MODEM由接收状态转为发送状态，并与其它工作站开始建立链路。在链路建立后，通信控制器送/RTS信号，告知直扩MODEM，通信控制器随后将发送DTE的数据，这些数据发往其它工作站。在发送时隙结束时，该工作站要完成二个任务，其一是/RTS由低变高，通信控制器停止该工作站的DTE向外发送数据，第二是建链/拆链信号产生一个负脉冲，使直扩MODEM拆链，该工作站的发送任务结束，直扩MODEM由发送状态转为接收状态，最后留有一点保护时间。至此该工作站的发送工作全部结束，其它工作站开始重复该工作站的发送时序，直到系统内20个工作站在1秒内完全发送一次。下一个秒脉冲到来时，系统重复上一秒内的发送顺序，各工作站根据设置的时隙编号轮流发送。

由图4系统工作时序可见，各工作站的程序分为两部分：通信控制器的软件流程和直扩MODEM的软件流程，它们实现的任务不同。

    通信控制器实现的功能有：

·接收GPS秒脉冲中断和时间信息；

·接收直扩MODEM收到的其它工作站的信息；

·向DTE发送直扩MODEM收到的其它工作站的信息；

·向直扩MODEM发送该工作站要发往其它工作站的信息；

·向直扩MODEM请求建链、拆链和传数的控制信息，即建链/拆链信号、/RTS信号；

·利用GPS秒脉冲中断实现系统定时；

·利用89C51（I）片内定时器，由89C51（I）输出/RTS、建链/拆链控制信号。

直扩MODEM除完成序列加解扩、射频信号的发送/接收等功能外，由于篇幅限制，这里只写出通信控制器要求它实现的功能，主要包括：

·根据通信控制器发送的建链信号，控制射频模块W9360完成由接收到发送的状态转换，与其它工作站建立半双工链路。

    ·根据通信控制器发送的/RTS信号，将通信控制器送来的数据辐射出去。

根据以上的功能描述，通信控制器和直扩MODEM的程序流程图分别如图5、图6所示。

通信控制器的程序流程图中，秒脉冲定时中断子程序生产系统时间基准的起始点，由它启动系统定时。定时器中断子程序根据该工作站的发送时隙，产生中断信号，89C51（I）向直扩MODEM发送/发送/RTS和建链、拆链信号，控制直扩MODEM完成收、发状态转换，主程序首先初始化89C51（I）、8251，开放秒脉冲中断和定时器中断，然后采用查询方法，控制数据的接收与发送，包括接收GPS秒脉冲中断和时间信息、接收直扩MODEM收到的其它工作站的信息、向DTE发送直扩MODEM收到的其它工作站的信息以及向直扩MODEM发送该工作站要发往其它工作站的信息。

直扩MODEM的程序流程图中，直扩MODEM根据通信控制器送来的建链、拆链信号，建立与其它工作站的半双工链路，实现扩频模块的收、发工作状态转换，完成数据传输。

4 系统的一种典型应用

伞兵救援是该系统应用的一个典型例子。

伞兵从飞机上跳伞时，由于跳伞的时间不同，风速、风向的变化，所以，他们落地时会在一起的范围内。每人佩带这样一个工作站，在飞机起飞前，将伞兵降落地区的地形图存在工作站的DTE终端中，并且为每个伞兵分配一个工作时隙。这样，在他们落地后，工作站就会自动将每个伞兵的位置和他们收集到的信息传送给其它伞兵，为他们顺利完成任务提供有力保障。

本文基于GPS的网型无线通信系统在实际应用中性能稳定可靠，较好地满足了使用要求。

根据实际使用情况，本系统可在以下几方面进行改进：

·本系统的一个周期定为1s。在实际使用时，可以利用秒脉冲和GPS的时间信息，增加一个周期的时间；另外，每个工作站发送的时隙的长短也可根据数据的多少、传输速率的大小设置。