周春華 王桐明 許鑰

摘 要：本文涉及了一款適用于船載GPS和電羅經(jīng)信號的分路放大器系統(tǒng)，將單獨的GPS和電羅經(jīng)信號放大并分路給各設備用戶。解決了船用設備用戶多，對信號要求高的問題。

關鍵詞：GPS；放大器；網(wǎng)絡協(xié)議棧

1 引言

為了滿足船舶導航設備、氣象設備、通信設備等設備對GPS信號和電羅經(jīng)信號的需求，設計并實現(xiàn)了一個安全穩(wěn)定的信號分路放大器系統(tǒng)。該設計主要將信號經(jīng)過電平變換電路變成TTL電平信號，輸入至高性能微控制器進行處理。微控制器接收到信號后對其進行解調，得到經(jīng)緯度、UTC時間、航向等信息，存入內存，用于后續(xù)處理。微處理器將其輸出給放大電路進行分路放大，放大后的信號通過輸出電平變換電路輸出給用戶。在嵌入式網(wǎng)絡協(xié)議棧的選擇上本設計采用UIP網(wǎng)絡協(xié)議棧，它是一種開源的協(xié)議棧，具有代碼少、功能豐富，移植簡單等優(yōu)點，可以很方便的與STM32F103系列微處理器組合。在微控制器的程序設計上，采用模塊化思想進行設計，將各項功能劃分成相對獨立的任務模塊，采用Protothreads多線程技術來管理任務。

2 基本原理

本項目采用數(shù)字技術重新設計新一代GPS兼容分路放大器，在完全實現(xiàn)原GPS分路放大器功能的基礎上，采用新的高性能微控制器作為核心控制器件，采用新型號的放大和線路驅動芯片設計輸出電路，并采用穩(wěn)定可靠的獨立單路航空插頭用于輸出，兼容GPS信號的接收處理，可以大大提高分路放大器工作的穩(wěn)定性和可靠性。采用模塊化設計思路簡化設備的維護維修。本項目拓展的網(wǎng)絡輸出接口可以方便的將GPS信號通過船內局域網(wǎng)傳輸?shù)饺魏涡枰牡胤?，實現(xiàn)與其它系統(tǒng)的無縫集成。

分路放大器主要由輸入電平轉換、高性能微控制器、輸出放大器、輸出電平變換、網(wǎng)絡處理芯片、網(wǎng)絡接口等組成。

從GPS送來的信號分別通過輸入接口輸入，經(jīng)過電平變換電路變成TTL電平信號，輸入高性能微控制器進行處理。微控制器接收到GPS信號后對其進行解調，得到經(jīng)緯度、UTC時間或航向等信息，存入內存，用于后續(xù)處理。微處理器通過顯示電路將接收到的信息顯示到液晶面板上，同時接收從網(wǎng)絡接口輸入的網(wǎng)絡請求，將GPS信息按照規(guī)定的格式變換成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，從網(wǎng)絡接口發(fā)送出去。微處理器還要完成網(wǎng)絡處理器的初始化設置和網(wǎng)絡協(xié)議的處理。由于輸入的信號格式與輸出的信號格式不同，因此，微處理器還需要完成輸入信號的變換運算，得到輸出信號，然后送給輸出放大電路進行分路放大，放大后的信號通過輸出電平變換電路輸出給用戶。為了實現(xiàn)輸出電路故障的診斷，輸出端口的信號還需要進行環(huán)回處理，環(huán)回的信號送給微處理器，用于故障自動診斷。

不同的網(wǎng)絡協(xié)議有不同的處理方式，本系統(tǒng)支持TCP/IP、UDP、ARP、ICMP等網(wǎng)絡協(xié)議，其中ARP協(xié)議用于網(wǎng)絡地址轉換，是其它協(xié)議的基礎，ICMP協(xié)議用于相應客戶端PING命令，TCP/IP、UDP兩種協(xié)議都可以用于傳輸GPS數(shù)據(jù)，具體用哪種協(xié)議傳輸取決于客戶端數(shù)據(jù)請求使用哪種協(xié)議，如果客戶端請求基于TCP/IP協(xié)議，則通過TCP/IP協(xié)議傳輸GPS數(shù)據(jù)，如果客戶端請求基于UDP協(xié)議，則通過UDP協(xié)議傳輸GPS數(shù)據(jù)。

3 硬件組成

3.1網(wǎng)絡處理芯片

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡通信接口拓展采用串口轉網(wǎng)口模塊電路或者獨立的嵌入式web服務器實現(xiàn)，在數(shù)據(jù)處理的微控制器上按照串口輸出來設計，具有軟硬件設計簡單的優(yōu)點，但存在成本較高、使用不夠靈活、功能受限等不足。本項目不采用以上方案設計，在網(wǎng)絡接口設計上采用獨立的網(wǎng)絡處理芯片（網(wǎng)卡芯片）進行設計，通過高速串行總線與微控制器連接，實現(xiàn)網(wǎng)絡接口物理層的傳輸，在微控制器上通過嵌入網(wǎng)絡接口協(xié)議棧來實現(xiàn)高層網(wǎng)絡協(xié)議。在微控制器上嵌入微型web服務器，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的無終端訪問（通過瀏覽器來訪問數(shù)據(jù)）。這種設計雖然會帶來較大的復雜性，但設計靈活，便于后期的遠程控制處理。

在網(wǎng)絡處理芯片的選擇上本項目選用KSZ8851SNL芯片，該芯片采用高速SPI串行總線與微控制器通信，總線時鐘高達40MHz，支持10M/100M網(wǎng)絡接口，在眾多常用網(wǎng)絡處理芯片中具有速度快、功耗低、工作穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

3.2 高性能微處理器

由于本項目拓展了網(wǎng)絡通信接口，增加了大量的網(wǎng)絡處理運算，對微控制器的性能提出了較高的要求，一般的8位微控制器（如8051等）難以滿足網(wǎng)絡運算的要求，因此，在微控制器的選擇上本項目選用基于ARM的 32位Cortex-M3微控制器，采用意法半導體的STM32F103系列芯片作為微控制器，該微控制器為精簡指令集微控制器，運行速度高達72MHz，具有硬件乘法器和除法器，大部分指令只需要一個時鐘周期就能完成，該微控制器接口豐富，具有較大的ROM、RAM空間，能夠滿足本項目設計的需求。

在嵌入式網(wǎng)絡協(xié)議棧的選擇上本項目采用uip網(wǎng)絡協(xié)議棧，它是在一種開源的協(xié)議棧，具有代碼少、功能豐富，移植簡單等優(yōu)點，可以很方便的與STM32F103系列微處理器組合。

在微控制器的程序設計上，采用模塊化思想進行設計，將各項功能劃分成相對獨立的任務模塊，采用Protothreads多線程技術來管理任務。

4 軟件調試

PC端每發(fā)送一次數(shù)據(jù)得到一次響應數(shù)據(jù)包，如果輸入數(shù)據(jù)解調正確，則返回固定格式的數(shù)據(jù)包，如果無數(shù)據(jù)輸入，則返回無輸入提示信息。

5 結束語

該GPS、電羅經(jīng)信號放大器共有16個分路，能夠滿足船舶日常用設備使用，應用價值高、工作性能穩(wěn)定。根據(jù)其功能和特性，后續(xù)也可改造應用于其它串口信號放大器中。