(成都信息工程学院，成都 610225)

1 引 言

“北斗”系统是我国自主研发的第一代区域性卫星导航通信系统，可提供定位、授时和通信服务。作为军民两用系统，“北斗”系统提供民用通信服务时，通信频度受到限制，在SIM卡的一个频度内，可传送数据的比特数也受到限制。因此，如何对“北斗”终端进行改进，使其支持较大的文件或图片数传输，更好地满足不同行业的需求，对“北斗”系统的民用推广非常重要。

在“北斗”终端上完成较大的文件或图片数据传输，目前常用的方法是用多个硬件终端将一个数据文本分段发送，接收方再将分段数据重组形成一个完整的数据文本。这种方法用多个硬件终端同传一个数据文本，其相互间的同步很难协调；在接收端，不同的数据分段分时到来，到达的延时各不相同，其重组算法的实现难度很大，工作效率也不高。另一方面，这种方法增加了使用成本，其维护和管理的难度也很大。

针对上述问题，本文提出一个新的设计方案：将“北斗”终端的SIM卡由1张增加到n张，依次使用不同的SIM卡进行数据传送。在实际使用时，根据传输需求，选择合适的n值及SIM卡的通信频度来完成文件或图片数据的传输。与现有的方案相比，本方案具有如下优点：其应用软件的稳定性、可维护性大大提高；分片数据接收时延可控，分片编号连续，易于重组；同时硬件成本没有增加，而单位时间内数据传输量成倍增加。

2 总体设计方案

“北斗一代”通信定位终端一般由射频处理、FPGA+DSP基带信号处理等模块组成。射频模块完成射频信号的收、发；FPGA主要完成数字下变频、本地GPS扩频码产生、时基信号产生、GPS帧同步信号产生和帧数据解调等功能；DSP主要完成GPS帧数据的读取和电文解析、GPS解算和速度求解、GPS授时等功能[1-2]。

鉴于ARM9丰富的内部和外部接口资源，本方案基带信号处理部分采用FPGA+ARM9，同时将SIM卡的数量增加至多张。在ARM9中，移植UCOS操作系统，通过程序控制n张SIM卡协同完成数据发送工作。其终端硬件组成原理如图1所示。

图1 终端硬件的组成原理Fig.1 The general structure of terminal hardware

图1中，设每个SIM卡的通信频度为Ts、通信量为Mbit、通信等级为d，当终端上只有一张SIM卡时，其通信的波特率为B=M/T。若n张SIM卡在Ts内正好都完成一次数据传送，则终端的数据传输波特率B=M×n/T，其中M、T由SIM卡的通信等级d限制，n由FPGA的门级数和SIM卡的通信频度T确定。通过公式可以看出，在同种SIM卡的基础上，n张SIM卡终端的通信速率是一张SIM卡的n倍。

3 终端的数据通信协议

在制定数据通信协议时，要充分考虑到“北斗”数据传输速率较低的现状，尽量不要增加额外的功能数据段，要充分利用“北斗”系统所提供的通信协议。

3.1 发送端数据传送协议

图2为数据发送协议，其系统帧头数据、发送目的地址、系统帧尾数据均为“北斗”系统所要求的数据段，应严格按照其通信协议要求组织数据。在此协议中，帧号+数据类型占一个字节宽度，DATA为要发送的数据，其总的比特数最大为M-8，8为帧号+数据类型占用去的比特数。

帧号占高4位，编号为0～15；数据类型占低4位，可根据需要对数据进行分类。

系统帧头数据发送目的地址帧号+数据类型DATA系统帧尾数据

图2 数据发送协议
Fig.2 Data transmission protocol

3.2 接收端应答协议

图3为接收应答协议。命令有00和FF两种，00表示所收到的数据错误，FF表示收到的数据正确。帧号为发送端对应SIM卡所发数据帧的编号。

图3 接收应答协议
Fig.3 Answer protocol for receiver end

3.3 SIM卡复用控制协议

图4为SIM卡复用控制协议，从协议中可以看出，当一张SIM卡的信息写入FPGA到下一张SIM卡的信息写入FPGA总共有5 s的延时。“北斗”终端在卫星信号失锁时，能在1 s内再次捕获并锁定到卫星信号。FPGA写入新的SIM卡信息并成功锁定卫星信号，第一个2 s延时足够。通常情况下，组帧并发送一组数据整个过程平均耗时600 ms(此数据为测试所得)，协议中给定1.5 s的耗时。最后1.5 s的延时用来接收应答信息并处理。

SIM1卡的信息写到FPGA 延时2 s组帧并发送(耗时1.5 s)延时1.5 s……SIMn卡的信息写到FPGA延时2 s组帧并发送(耗时1.5 s)延时1.5 s

图4 SIM卡复用控制协议
Fig.4 SIM cards multiplexing control protocol

在系统设计时，SIM卡的通信频度T与卡的张数n应满足：5×n≤T。

4 终端软硬件设计

4.1 终端硬件设计

基于ARM9微处理器的终端硬件采用模块化设计[3]，主要分为射频处理模块、FPGA处理模块、ARM处理模块、电源处理模块，其原理框图如图1所示。SIM卡与FGPA的连接原理如图5所示。

图5 SIM卡与FGPA的连接原理Fig.5 The general connection of SIM cards and FGPA

图5中SIM卡的通信等级都相同，通信频度T为30 s, 在一个通信频度内，每次的最大通信数据量M为680 bit。SIM卡数量n要满足5×n≤T这个关系，所以n的值为6。与带有一张SIM卡的通信终端比较，在同样的通信频度内，其通信数据量为原来的6倍。

从图5中还可看出，SIM卡的时钟端由FPGA同一端口提供，其复位端、双向数据线由FPGA不同端口提供。

4.2 终端软件设计

终端应用软件在UCOS操作系统中实现[4-5]，根据“北斗”终端开机并锁定卫星信号的时间要小于2 s的技术要求，在ARM9中移植UCOS操作系统为其最佳选择。

终端系统软件主要包括以下几个任务：串行通信任务，完成内外数据的交换；“北斗”通信接收处理任务，完成数据的接收和解帧；SIM卡轮询发送处理任务，完成数据的分割、组帧和发送；SIM卡读写处理任务，对SIM卡进行数据的读写，得到需要的数据信息；系统监控任务，对整个系统的工作状态进行监视，并报告终端的工作状态。

4.2.1自动确定分片数据长度的算法设计

在每一次分片数据的传输过程中，“北斗”系统采用超帧的形式进行发送。在超帧接收过程中，只要有一个短帧出现错误，整个分片数据就算发送失败。如果分片数据长度缩短，短帧的数据量就减少，所以为了保证分片数据发送的成功率，其分片数据的长度也要随卫星信道质量的改变而改变。

“北斗一代”共有6个通信信道，终端选择两个不在同一卫星且能量较强的信道作为工作信道。分片数据的长度由定时侦测得到，其方法是定时监测卫星各信道能量，当工作信道能量变化达到一定程度后，进行信道切换，并发Length长度的数据给自己，根据接收的情况进行长度设定。如长度自动设定失败，其分片数据长度为“北斗”系统默认的发送数据的最短长度。其算法实现步骤如下：

(1)如果Length=0，则长度自动设定失败，停止长度侦测；否则，给自己发Length长度的默认数据；

(2)在规定的时间内是否正确收到所发送的数据，如接收失败，则发送次数加1，并转步骤3；如接收成功，接收与发送次数均加1，转步骤3；

(3)如果发送次数小于3转步骤1；否则，转步骤4；

(4)如果接收成功次数等于3，则长度自动侦测成功，Length的值为分片数据的长度，停止长度侦测；如果接收成功的次数等于2，Length=2×(Length/3)，转步骤1；如果接收成功次数等于1，Length=Length/2，转步骤1；如果接收成功的次数等于0，Length=Length/3，转步骤1。

4.2.2多SIM卡复用的程序实现

本终端带有6张同等级的SIM卡，程序通过对FPGA的控制每次选择1张SIM卡工作。数据通过6张SIM卡循环发送，直到数据发送结束为止，其程序实现算法如图6所示。

图6 n张SIM卡复用的程序流程Fig.6 The flowchart of n SIM cards multiplexing

4.3 测试结果

在终端中运行一个数据发送测试程序[6]，完成1.98 kbyte大小的数据文件重复发送。发送测试程序流程如图7所示。程序通过串口向PC机送出发送的总帧数、重发帧数以及发送成功的总帧数等参数。根据这些参数，可以算出发送的成功率以及发送1.98 kbyte大小的数据文件所需的平均时间。

图7 发送测试程序流程图Fig.7 The flowchart of sending a test program

测试平台由带有6张SIM卡的“北斗”终端通过串行口与一台PC机相连，终端运行发送测试程序，PC机运行结果监视程序，其监视结果如图8所示。图8中，接收区显示内容为终端发送的原始数据，右边为终端通过串口送来的统计结果。整个测试过程共用时76 363 s，由于停止测试时，最后一帧的应答还没有收到，所以原始数据总帧数比成功发送的总帧数少1帧。计入重发的数据帧，总计发送15 273帧，成功发送13 999帧数据，数据发送的成功率为91.66%；1.98 kbyte大小的文件成功发送一遍的平均时间为136.35 s。如果用带一张SIM卡的“北斗”终端来发送这个文本大约需要818.10 s的时间。可以看出，发送时间缩短为原来的1/6。

图8 数据传输监视结果Fig.8 The monitoring result of data transmission

5 结 论

通过多SIM卡复用传送数据的设计方案，相当于缩短了终端的通信频度，既满足了“北斗”系统的通信规则，又提高了通信速率。如采用频度为50 s的SIM卡可扩充至10张，其通信速率将提高到原来的10倍；如采用频度为30 s的SIM卡可扩充至6张，其通信速率将提高到原来的6倍。通过扩展SIM卡，不需要增加额外的硬件成本，就可在“北斗”终端上实现较大文本数据和图片数据的传输，这种方法具有较高的民用推广价值。

参考文献：

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[2] 魏秀启,郑维广,隋绍勇.北斗导航定位接收机的原理及硬件实现[J]. 电子元器件应用,2009,11(4):37-40.

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JEAN J LABROSSE. Embedded Real-time Operating System UCOS-II [M]. 2nd ed.Translated by SHAO Bei-bei. Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press, 2003.(in Chinese)

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