（计算机系统结构专业论文）基于跳频技术的矿井下定位通信系统研究与设计.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 目前，矿井下通信的可靠性在当今世界依然是个难题，矿井下通信存在 复杂的多径和多址干扰，导致传统的通信系统在矿井下不能良好工作，为满 足当前煤矿安全生产和科学管理要求，必须提高矿井下通信系统可靠性。 本文根据煤矿井下所做的实验结果研究矿井下定位通信系统。全文分四 个部分对矿并下通信系统做了研究和设计，提出研究设计方案。 第一部分研究通信系统硬件设计。详细介绍了通信系统的工作原理，各 种元器件的选择和系统核心电路外围电路的设计，从硬件上保证数据可靠性。 第二部分研究系统软件设计选择c s 姒协议作为本系统的无线接入技术 提出了通信协议和基站识别卡软件设计，从软件上保证数据可靠性。 第三部分研究矿井下无线信道特点和编码信道模型，着重研究有关跳频 序列的生成方法，提出一种基于改进交织技术无碰撞区跳频序列的构造，并 将其应用到本系统中，解决通信系统存在的多径和多址干扰问题。 第四部分对通信系统的传播距离和误码率两项重要技术指标进行分析， 其实际传播距离和误码率完全满足系统需要 另外，在其他矿井应用本系统只要做实验测定各个频段的电磁干扰，修 改系统的射频频率就可通用并且本系统具有投入成本低、开发周期短、易 于安装维护，良好的技术经济效益等优点，可以在矿山等地下工程中推广应 用。 关键词：定位；通信系统；跳频技术；交织技术；无碰撞区 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t u n d 昭o u n d c o m m u n i c a t i o ni nm i n e si sad i f f i c u l tp r o b l e mn o w , s i n c et h e r e a f ec o m p f i c a t e dm u l t i p a t ha n dm u l 吐- a 妣s si n t e r f e r e n c e si ns u c he n v i r o n m e n t , w h e r es u l k a c eg r o u n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a nn o tw o r kw e l l r e l i a b i l i t yo f u n d e r g r o u n dl o c a t i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( u l c s ) i nc o a lm i n e sm u s tb e i m p m v c dt om e e tt h ed e m a n do fs a f e t yp r o d u c t i o na n ds c i e n t i f i cm a n a g e m e n ti n c u r r e n tc o a lm i n e s t h r o u g hl a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t si nt h ec o a lm i n e , t h eu i f _ si s a n a l y z e da n dd e s i g n e d t h i st h e s i sc o n s i s t so ff o u rp a r t s an o v e ls y s t e ms c h e m e i sp r e s e n t e d , a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sa n dd e s i g no fu n d e r g r o u n dc o m m u n i c a t i o n s y s t e m f i r s t l y , t h ed e s c r i p t i o no ft h eu l c sh a r d w a r ed e s i g ni sp r e s e n t e d p r i n c i p l e o ft h ei c si sd i s c u s s e di nd e t a i l a n dt h ec h o i c e so fc o m p o n e n t sa n dk e r n e l c i r c u i ts c h e m a t i c sa l ep r o p o s e d , w h i c he 地u r et h er e l i a b i l i t yo fd a t ai r a n s m i s s i o n 0 1 1h a l d w s l 慧o s e c o n d l y , t h ed e s c r i p t i o no ft h eu l c ss o f t w a r ed e s i g ni sp r e s e n t e d c s m a p r o t o c o li ss e l e c t e db yw i r e l e s sa c c e s s e dp r o t o c 0 1 c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n d s o f t w a r es c h e m eo fb a s es t a t i o n sa n dc a r d si sp r e s e n t e d , w h i c he n s u l ct h e r e l i a b i l i t yo f d a t at r a n s m i s s i o no ns o f t w a r e t h i r d l y , t h ef e a t u r eo fw i r e l e s sc h a n n e la n dm o d u l eo fe n c o d e dc h a n n e l u n d e rm i n emr a i s e d , a n da p p r o a c hg e n e r a t e do ff r e q u e n c yh o p p i n gs e q u e n c e si s e m p h a s i s t h ec o n s t r u c t i o no f n o - h i tz o n ef r e q u e n c yh o p p i n gs e q u e n c e sb a s e d o i l i n t e r l e a v et e c h n i q u ei m p r o v e di sp r e s e n t e d , w h i c hw a sa p p l i e dt ot h ei ic s t h e m e t h o ds o l v e dt h ep r o b l e m o f m u l t i - p a t ha n dm u l t i a d d r e s si n t e r f e r e n c e s f o u r t h , a n a l y s eq u a l i t yi n d e xo fr a n g et r a n s m i t t e da n de r r o rr a t eo fu l c s f a c t u a lr a n g et r a n s m i t t e da n de r r m r a t ec a nm e e tt h en e e d so f t h ei c s i na d d i t i o n , t h i s s y s t e m c a nb ct r a n s f e r r e dt ot h eo t h e rc o a li u m o sb y 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m o d i f y i n g s e v e r a l p a r a m e t e r s 。w h i c h a i e e s t i m a t e d b y m e a s u r e so f e l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c e o fe v e r yf r e q u e n c yc h a n n e lt h eu l c sh a s a d v a n t a g e so f l o wc o s t , s h o r td e v e l o p i n gc y c l e ，e a s yi n s t a l l a t i o na n dm a i n t e n a n c e a n de x c e l l e n t t e c h n i c a la n de c o n o m i cb e n e f i t t h eu “笃c a nb e s p r e a d u n d e r g r o u n dp r o j e c t s k e yw o r d s ：l o c a t i n g , c o m m u n i c a t i o ns y s t e m , f r e q u e n c yh o p p i n gt e c h n i q u e ， i n t e r l e a v et e c l m i q u e ，n o - h i tz o n e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：左! 旦 日期：扣 7 年；月卜日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 论文背景与意义 第1 章绪论 我国是世界上最大煤炭生产国，也是煤炭消耗大国，煤炭工业在我国经 济建设中仍占有十分重要地位，占能源消费总量7 1 ，占发电燃料八成以上。 从国内能源生产和消费情况看，煤炭均占据主体地位，2 0 0 6 年能源生产和消 费可达到2 0 亿吨和1 4 7 亿吨标准煤。 我国煤炭产量主要来自井下开采，煤矿井下开采作业相对于其它职业来 说危险系数较高，安全至关重要矿井下通信系统是保证煤炭生产安全的重 要环节，同时也是保证生产效率的必要手段。煤炭生产环境与人防和铁路隧 道相比，要复杂恶劣得多矿井巷道比较狭窄，一般仅有几米，地面粗糙， 坎坷不平，四周环绕着煤和岩石，还有支架、风门、钢轨、动力线等。在这 样一个复杂的有限空间内，无线电波的传播与自由空间大不一样，须充分考 虑井下地质和生产环境对通信系统的影响。 事故发生是不确定性的，事故发生后必须依据当时情况，采取果断措旌 进行处理，对井下人员进行紧急抢救。但鉴于目前国内煤矿生产现状，并上 对并下人员监控由于受各种条件限制，还很不完善，对于井下人员情况不能 及时反映，导致事故发生时，不能及时准确得到井下人员信息，无法做出正 确决策，以致会造成抢险不及时，有可能贻误对生命抢救。 在平时工作中，一般也只能通过矿灯使用情况，来推知井下人员情况， 无法知道人员即时确切位置，给管理工作增加难度。 井下智能定位通信系统在矿山工程中有着重要作用，它可以完成地面控 制中心与井下人员的实时通信，或者对井下一些重要设备进行实时监控目 前，常见井下通信系统主要有有线传输调度电话系统、架线电机车载波电话 系统、感应通信系统及近几年发展起来的漏泄通信系统m ，由于井下恶劣工 作环境，特别是噪声干扰和电波衰落，严重影响通信系统的实际应用。现有 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的矿井下人员定位系统功能单一m 、可扩展性差、成本很高、性能不理想。 矿山企业极需投入成本低、易于安装维护、性能良好的矿井下定位通信系统。 1 2 国内外研究现状 矿井下人员定位系统属于监控系统的一部分，国外研制矿井计算机监控 系统始于2 0 世纪6 0 年代，我国起步较晚，约始于2 0 世纪8 0 年代后期。随 着各项技术进步，以及产品性价比进一步提高，使得监控系统在我国的应用 逐步得到推广为了加快实现煤炭工业现代化管理的步伐，我国先后从美国、 英国、德国、法国、加拿大引进了数十套监控系统，如美国的$ c a d a 系统、 英国的m i n o s 系统、德国的t f 2 0 0 系统、法国的c r t 6 3 4 0 m 系统、加拿大 森透里昂系统。这些系统在我国煤炭行业中发挥了一些作用，也为我国研制 矿用监控系统提供了很好借鉴上述系统均是综合型监测系统，但其都侧重 于安全参数的检测和控制。同时，这些系统还存在如下问题： ( 1 ) 性价比过低，系统价格过高，一般矿井难以承受。 ( 2 ) 监控主机的系统软件在文档处理上不符合中国国情。 ( 3 ) 由于使用的是国外技术，技术服务支持存在困难 ( 4 ) 近年来技术进步较快，部分技术已经不具备先进性。 自从我国引入上述系统后，相继出现了仿制国外的系统如k j 4 系统等， 以及我国自主研制的系统，如k j 2 ，k j 2 2 。焦作工学院研制的k j 9 3 矿井安全 生产监控系统等。这些系统主要也是侧重于安全参数的检测。 。 矿井下人员定位系统是对整个监控系统的进一步完善。目前国外己有类 似产品像国外的英国雪普( s p r i n t ) 工业电气集团，美国安菲斯科技发展有 限公司与澳大利亚矿山技术公司的m s 系统但是这些系统功能都还不尽完 善，造价太高，性能还不够可靠。国内的系统也只是处于研发试用阶段，没 有统一标准，如煤炭科学研究总院常州自动化研究所的l ( j 6 9 、山东济宁高科 公司研制的k j l 5 0 、武汉七环科技公司的k j 7 0 4 井下人员定位系统。这些国 2 晗尔滨工程大学硕士学位论文 内目前开发的系统存在一个共同的缺点就是丢卡率很高，如正在鹤岗市南山 煤矿应用的k j l 5 0 系统丢卡率为百分之三十，和国家规定标准的丢卡率千分 之二相差甚远。 井下无线通信作为通信行业的一个新领域已进入实用发展阶段，理论研 究和技术开发上都具有极大的发展潜力i 随着数字通信技术的发展，井下通 信必将进入一个新的发展阶段。井下无线通信一直是世界难题，多年来国内 外进行了多次试验，研制了部分井下无线通信设备，但效果都不理想，相对 于地面无线通信来说进展缓慢。9 0 年代中后期，随着科学技术的进步，尤其 是通信技术的发展，井下无线通信逐渐进入实用阶段。井下无线通信条件复 杂，要进行理论研究相当困难，主要以实验为基础缓慢发展起来的。试验表 明，在中短波频段，井下隧道对电波衰减最大，通信距离最近。这可以认为 是隧道尺寸与波长比拟产生谐振吸收或电波在有限空间内多次反射能量消耗 的结果。在超短波，通信距离随着频率升高而增加，电波传播衰减逐渐减小。 这种单调的反比变化是由于隧道对更高频率的电波渐呈波导作用引起的，因 而传播条件逐渐改善，通信距离加大。在微波频段，随着频率升高衰减变得 很小，因此隧道可认为是微波通信的波导型通道。这是由于隧道直径远远大 于波长，微波信号在隧道中获得了相对较大的自由传播空间形成的上述实 验表明，隧道断面尺寸决定了截止频率。断面大，截止频率低，通信效果就 好，断面小，截止频率高，则必须选择更高信号频率才能实现井下无线通信 井下无线通信的特点是整个的无线信号的传播都是在井下的巷道，是一个封 闭的环境，与地面无线通信无相互干扰。目前国内还没有井下无线通信标准， 因此系统可以根据现有的技术条件和实际需要进行开发。但应考虑要适合以 后通信发展的要求，要有利于推广使用。目前井下通信方式主要有以下几种： ( 1 ) 低频导引通信 低频导引通信系统简单实用，造价最低。低频导引通信的主要弊端是存 在井下的各种低频电磁干扰，数据误码率高，可靠性低。但是由于价格低廉， 仍是一些公司( 如南非的g s t ) 致力研究和发展的一种井下通信系统 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 短波漏泄通信 短波信号在井下中产生和受到的干扰也最小，是井下无线通信中最有利 于抗干扰的频段同时这个频段的地面通信设备和技术非常成熟，所以短波 漏泄通信成为许多国家发展井下无线通信的共同选择，如德国、英国、美国 等，但其缺点是：造价过高，对我们需构建的系统来说难以承受，并非针对 井下无线通信而设计 ( 3 ) 红外无线通信 红外光在近距离的通信中被广泛应用但如果用做随身携带的无线数据 发送工具，显然有其致命不足的地方。由于其对接收信号的方向性要求比较 高，对微功率系统来说，若发射和接收之间有人的身体或其它物体遮挡，信 号可能就会很难被有效传输。波兰等一些国家曾在这方面傲过尝试，但效果 很不理想 ( 4 ) 微波频段通信 这种传播方式，虽然与短波相比，具有传播较稳定、受外界干扰小等优点， 但在电波的传播过程中，却难免受到地形，地物及气候状况的影响而引起反 射，折射，散射和吸收现象，产生传播衰落和传播失真 近年来，高频通信已经成为矿井下通信的一个研究热点，有关地面上高 频通信模型和技术已经很成熟，并且基于现有的模型研制了一些适合高频 通信方案和实现方法删，也做了一些相关的理论指导“”在一些文献中还 研究了有关高频通信的具体设计和实现方案” 本课题应用当前跳频通信技术，研究并设计矿井下定位通信系统。跳频 通信系统中，由跳频指令发生器产生用于控制频率合成器输出信号使载波频 率发生跳变的地址码序列称为跳频序列，也称为跳频码。跳频序列的性能对 跳频通信系统的性能有着决定性影响。因此，通常要求跳频序列， ( 1 ) 自相关旁瓣要低，防止多径干扰。 ( 2 ) 互相关峰值要低，防止多址干扰。 ( 3 ) 数目要多，容纳更多的用户 ( 4 ) 线性复杂度要大，降低频率重合度。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 5 ) 各频隙出现次数基本相同。， 当前，跳频码序列设计研究主要基于以下几个分类展开4 1 ( 1 ) 基于m 序列构造跳频序列族 基于m 序列构造跳频序列族有三种方法：第一种方法是使用m 状态序列， 也就是使用不同的m 序列分配给不同用户，每个用户的频率由m 序列的状态 确定第二种方法是使用抽头法，即著名的l - g 模型。第三种方法是使用非 线性方法，在单个m 序列发生器上加非线性前馈逻辑，或者用几个m 序列发 生器进行非线性组合，再通过抽头选取，从而得到高度非线性跳频序列这 是实际跳频电台中经常采用的方法。 ( 2 ) 基于i l s 码构造跳频序列族 r e e d - s o l o m o n 码( 简称r s 码) 是一种纠错码，是q 进制b c i i 循环码中最 重要的子类，它也是一种最佳的跳频序列族，对r s 码进行挑选后，它也是具 有优良的互相关性能及自相关性能，且具有较多的序列数日的跳频序列集 ( 3 ) 基于素数序列族构造跳频序列族 、 它的构造方法是利用模p 乘法表( p 为素数) ，因此也常常称为素数序列 族在不存在多普勒频移的跳频通信和跳频雷达系统中，素数序列族具有最 佳的性能。 ( 4 ) 基于b e n t 序列构造跳频序列族 1 9 8 2 年，p v k u m r 、r a s c h o l t z 和l r w e l c h 提出t 广义q 元b e n t 函数。1 9 8 4 年，p v k u m a r 提出了两种基于广义q 元b e n t 函数构造的跳频序 列族，达到或接近最佳的汉明相关性能，而且具有较大的线性复杂度 ( 5 ) 基于g 姗序列构造跳频序列族 1 9 8 4 年，r a s c h o l t z 和l g w e l c h 利用迹函数构造出了g m w 序列。g 唧 序列具有与m 序列一样的双值自相关函数，并且其线性复杂度比m 序列的线 性复杂度大得多，通过研究发现，基于g m w 序列可以构造出具有最佳汉明相 关性能的跳频序列族。， ( 6 ) 基于p 元伪随机序列构造跳频序列族 这是一种基于长度为仁矿- 1 的具有二值自相关函数的p 元伪随机序列构 造跳频序列族的方法，该方法将构造最佳跳频序列族的问题转化为寻找具有 二值自相关函数的p 元伪随机序列的问题。m 序列和g 研序列( 包括广义g 肼 s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 序列) 是闻名已久的具有二值自相关函数的伪随机序列。近年来，m l u d k o v s k i 等、t h e l l e s e t h 等、j s n o ，g g o n g 构造出了一些新的具有二值自相关函 数的p 元伪随机序列因此，它们都可以用于构造具有最佳汉明相关性能的 跳频序列族。 ( 7 ) 基于混沌映射序列构造跳频序列族 利用混沌信号产生跳频序列的过程，其实质是将实值混沌信号转换为符 号序列的过程。1 9 9 g 年，李文化、王智顺和何振亚提出了用于跳频多址通信 的混沌跳频码，混沌跳频序列具有较大的线性复杂度，各频率分布均匀，汉 明相关性能略差于基于m 序列或g m w 序列等构造的最佳跳频序列，具有实际 应用前途。 ( 8 ) 宽间隔跳频序列族 在某些工程应用中，要求实现宽间隔跳频，也就是要求在相邻的跳频时 隙里发射的两个频率的间隔大于某个规定值。这一要求最先是f f i d s 中提出 的。对于跳频速率确定的系统来说，将跳频序列设计成宽间隔的，可更好地 对抗窄带干扰、跟踪干扰和宽带阻塞式干扰以及多径衰落。 ( 9 ) 蓝牙跳频序列 蓝牙跳频序列是一种基于计数式t o d ( 即t i m eo fd a y ) 的跳频序列 以上9 种跳频序列的生成方法都比较成熟，但真正能用到矿井下定位通 信系统的却很少，必须找到一种能够适合矿井下定位通信系统的跳频序列生 成方法，这是本课题的重要研究内容之一 1 3 论文主要工作 本论文研究矿井下定位通信系统，依据矿井下特殊工作环境并应用跳频 技术形成自己独特的矿井下定位通信系统，为矿井下定位综合系统提供可靠 数据传输，满足矿山企业对现代化安全生产和科学管理的要求。 本文要完成以下主要工作： ( 1 ) 矿井下通信系统的结构功能设计。通过广泛调研和大量资料的查阅 确定矿井下通信系统的结构和功能。其结构包括有线通信和无线通信两部分 其功能要保证无线数据采集有效，并为上位机提供可靠数据传输，其中，保 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 证无线数据采集的有效性是本系统最主要功能。 ( 2 ) 矿井下通信系统硬件电路和抗干扰设计基于矿井下通信系统的工 作环境和系统结构功能设计的要求，研究了通信系统硬件电路设计和工作原 理。硬件电路的有线通信部分是基站和上位机之间通信，其通信接口采用c a n 总线接口设计；无线通信部分是基站和识别卡之间的通信。详细阐述了所选 用元器件性能特点，对本系统硬件电路进行了抗干扰设计，保证数据有效传 输。 ： ( 3 ) 矿井下通信系统的通信协议设计和软件设计选择适合本系统的 c s 姒协议作为无线接入技术，并提出对于同频率信号采用t d 姒技术，对于 不同频率信号采用f i ) m a 技术。基于p _ 坚持c s m a 协议设计射频收发模块之间 通信协议。基于c a n 总线标准设计上位机和基站之间通信协议基于基本交 通模型，提出适合本系统基站数据接收流程和识别卡软件设计流程 ( 4 ) 基于改进交织技术无碰撞区跳频序列的研究，也是本文创新点。当 前矿井下定位通信系统存在的主要缺点是通信误码率高，其主要原因是矿井 下使用的射频收发模块之间的误码率高，解决的方法有两种，一种是充分考 虑矿井下电磁、地磁干扰和工作环境，自己设计射频收发模块，这种方法对 于实验设备和基础条件要求很高，投入成本高，产品周期长；另一种方法是 使用现有射频收发模块，但必须有好的跳频序列构造算法才能解决这一难题。 本文利用现有的射频收发模块，采用基于改进交织技术无碰撞区跳频序列算 法，解决矿井下定位通信系统射频收发模块之间误码率高这一难题 ( 5 ) 对所设计的系统进行技术指标分析通信传播距离和误码率是通信 系统的两项重要技术指标。通过理论推导出的实际传播距离是完全能够满足 本系统要求 1 4 论文组织 论文分为五章 第1 章，阐述了论文研究的背景和意义，讨论了当前矿井下定位通信系 统发展和其所应用关键技术现状 第2 章，研究矿井下定位通信系统的结构和功能设计要求，即有线通信 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 和无线通信两部分，其功能要保证数据采集和传输的可靠性。基于通信系统 结构和功能要求对系统进行硬件电路设计基站和上位机之间采用成熟的 c a n 总线接口设计，基站和识别卡之间采用无线通信设计同时，对系统硬 件电路进行了抗干扰设计。 第3 章，采用c s 姒协议作为本系统无线接入技术，并提出使用t d i d a 技 术和f d m a 技术解决多径和多址干扰。研究了射频收发模块之间通信协议和基 于c a n 总线上位机和基站之间通信协议，基于基本交通模型，研究通信系统 软件设计 第4 章，研究基于改进的交织技术无碰撞区跳频码设计依据矿井下无 线信道模型和特点分析本系统的特点和必须采取一定的技术手段消除给矿井 下通信带来的影响利用g b s c 模型作为编码信道模型，提出一种新的改进交 织技术无碰撞区码跳频序列的构造 第5 章，对本系统的通信传播距离和误码率两项技术指标进行分析其 实际传播距离可以满足系统的需要。通过实验数据分析采用无碰撞区码的 g b s c 信道模型系统要远远低于其他所使用的系统误码率 最后，对全文工作进行总结，提出了进一步研究方向。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章矿井下定位通信系统硬件设计 2 1 矿井下定位通信系统结构和功能 矿井下定位通信系统结构如图2 1 所示其包括地面上位机与并下基站 之间有线通信部分和基站与识别卡之间无线通信部分有线通信主要完成基 站与上位机之间通信和可靠数据传输，有线通信部分可以提供各种标准接口， 本文采用比较成熟的c a n 总线接口设计，可以应用c a n 通信协议设计本系统 有线通信协议无线通信部分主要完成基站对识别卡信息采集，保证无线数 据采集可靠性，目前矿井下定位通信系统都是这部分处理得不好，使得其性 能不理想。 地面主机 识别卡1 图2 1 矿井下定位系统结构示意图 9 n 号埘 u 别识 3望b 脒 识2节q 胩 识 哈尔滨工程大学硕士学位论文 各个基站都有自己地址编号，考虑到可扩展要求，可以具体情况采用多 位二进制编码每个识别卡也有自己独立编号，考虑扩展要求，用1 6 位二进 制数表示每个识别卡的地址标识，相应n 最大取值为6 5 5 3 6 ，这在一般大型 矿井足够使用，如果不够，可以考虑加长地址标识，直至满足要求。 矿井下定位通信系统工作过程：系统上电，测试基站和上位机之间通信， 如果通信正常，基站检查存储器是否有信息要发送给上位机。基站时刻处于 接收信息状态，若基站采集到识别卡信息，校验无误后将信息传送给上位机。 校验出错就丢弃此信息包若基站和上位机通信失败，就将校验无误的信息 存储起来 2 2 基站和识别卡工作原理 基站工作原理如下：基站上电，微控制器进行系统初始化，检查系统通 信状态然后处于工作状态，即检测是否有识别卡信息可以接收到，如果接 收到信息，立刻进行对接收到的信息进行解码，并校验信息正确与否如果 发现信息有错就立刻将其丢弃，而不是要求识别卡重发信息，这一点在设计 中很重要，可以减少数据冗余量和冲突，节省系统资源。如果发现收到的识 别卡信息正确无误就通过与上位机接口将信息传输给上位机进行处理。 识别卡工作原理如下：识别卡上电，微控制器进行系统初始化，选择跳 频频率，然后由射频收发芯片进行编码，通过天线传送给基站，延时4 0 秒， 重新选定频率发送数据 2 3 核心硬件电路设计 本系统的硬件设计包含有线电路和无线电路设计，即基站主要电路设计 和识别卡电路设计设计电路前要先选择好要适合本系统的元器件，充分考 虑各个元器件的性能和价格，系统在完成同样功能时要成本最低，开发周期 短。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 1 基站主要电路设计 基站电路设计由8 个电路模块组成，即基站c p u 电路模块、基站供电电 路模块、基站接口c a n 电路模块、基站系统时钟电路模块、基站地址设定电 路模块、基站j t a g 接口电路模块、基站无线数据接收电路模块和基站数据存 储电路模块，基站模块图见图2 2 本文介绍较复杂的基站c p u 电路模块、 基站接口c a n 电路模块、基站无线数据接收电路模块和基站数据存储电路模 块。 图2 2 基站模块图 2 3 1 1 基站c p u 电路设计 基站c p u 选择非常关键，它是基站的控制核心，既要负责和上位机的有 线通信又要负责和识别卡之间的无线通信。因此，必须选择一款性能优良的 微处理器。综合分析本系统的特点和需求，选定t i 公司的h s p 4 3 0 f 1 4 9 微处 理器作为基站c p u 采用6 4 引脚包装设计，m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片主要有以下特点： ( 1 ) 低电源电压范围：1 8 3 6 v ，超低功耗，5 种节电模式。 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 从等待方式唤醒时间小于6 ps ，1 6 位r i s c 结构，1 2 5 n s 指令周期。 ( 3 ) 1 2 位2 0 0 k b p s 的a d 转换器，自带采样保持 ( 4 ) 具有2 个捕获比较寄存器的1 6 位定时器t i m e r a ，t i m e r b 。 ( 5 ) 通道串行通信接口可用于异步或同步( 软件选择u a i 玎s p i 模式) ( 6 ) 硬件乘法器，6 4 k b + 2 5 6 bf l a s hm e m o r y 和2 胁r 枷 ( 7 ) 在系统串行编程，安全熔丝的程序代码保护。 基站c p u 电路设计见图2 3 。 图2 3 基站c p u 电路 m s p 4 3 0 f 1 4 9 微控制器与其他微控制器相比有很多优点，如双工异步串行 口( d a r t ) ，可以很方便与上位机或下位机进行数据交换；芯片内部是f l a s h m e m o r y ，可以在线编程、烧写程序；有足够存储空间；芯片内部有a d 转换 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 器，可以简化外部电路；有5 种节电模式，功耗很低 2 3 1 2 基站c m 总线接口电路设计 基站和上位机之间的c a n 总线接口电路设计也是非常重要，本系统性能 的好坏也取决于其c a n 总线接口电路设计。c a n 总线核心控制控制器选择 s j a l 0 0 0 。这款芯片继承了p c a 8 2 c 2 0 0 芯片的特点，具有如下性能和特点： ( 1 ) 有一个6 4 b y t e 的f i f o 接收缓冲区，消息格式可扩展。 ( 2 ) 兼容c a n 2 o b 协议 ( 3 ) 波特率可达i m b s ( 4 ) 2 枷时钟频率 ( 5 ) 提供多种微控制器接口。 ( 6 ) 工作温度- 4 0 1 2 5 摄氏度。 ( 7 ) 可编程c a n 驱动校验 ( 8 ) 支持b a s i c c a n 和p e i l c a n 模式 ( 9 ) 只有一种侦听模式 基站c a n 总线接口电路设计见图2 4 图2 4 基站c a n 接口电路 s j m 0 0 0 工作电压4 5 v 5 5 v ，工作电流1 5 m a 。为防止强电干扰，设计 电路时用2 个6 n 1 3 7 芯片组成了一个保护电路，将强电和弱电隔离。 ” 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 1 3 基站无线数据接收电路设计 基站无线数据接收电路设计是本系统非常重要的电路设计设计中要充 分考虑各种芯片的性价比首先介绍射频芯片选择，然后介绍电路设计 随着微电子技术高速发展，市场上有很多功耗低，适合于手持设备的r f 芯片。如n o r d i c 的2 4 e i 、r f m d 的p 弭2 9 1 5 、x 酬i c s 的x e l 2 0 1 a 、b l u e c h i p 的b c c a l 8 、c h i p c o n 的c c 4 0 0 ，c c l 0 0 0 等。这些i l f 芯片的工作频带均为不要 申请的i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段，同时这些r f 芯片可 以简化开发人员对电路设计。如果要从繁杂的l l f 芯片中挑选出适合自己设计 的芯片，就需要设计者根据自己所设计系统功能、性能、成本等方面考虑， 选出性价比高的射频芯片来完成自己设计系统。 图2 5 基站数据接收电路 常用的一些射频无线收发芯片主要性能进行比较，见表2 i 正确选择 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 可以使设计少走弯路，降低成本，更快地将产品推向市场。选择无线收发芯 片时应考虑以下几点因素：功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的 外围元件数量、芯片成本、传输距离、数据传输速率等等。 表2 1 射频无线收发芯片性能比较 2 4 e 1 ( c 1 0 r f 2 9 1 5 工作电压( 单位；伏特) 1 9 3 6 2 3 3 6 2 4 5 0 最大功率( 单位：d b m ) + 2 0+ 1 0+ 1 0 最大速率( 单位：l 卸田 1 0 2 47 6 89 - 6 所需天线数量( 单位：根) 111 工作频率 2 4 i g h z3 0 0 1 咖z3 0 0 1 0 0 0m h z 接收灵敏度弹位：d b m ) 1 0 01 0 9 - 9 7 从表2 1 以及选择芯片所要注意的问题比较后，经过综合考虑，2 4 e 1 最 符合本课题设计要求 2 4 e 1 芯片外围设计电路简单，按照说明书不做太大修改就可以完成电路 设计在起振情况下，为了和2 4 e 1 的发射器输出或接收器输入阻抗匹配，因 此，在设计单极天线时，应傲到使单极天线的输入阻抗与发射器输出或接收 器输入阻抗相匹配接收和发射模式都能一起连接5 0 欧姆匹配电阻。因此， 本系统所设计的单极天线的输入阻抗为5 0 欧姆，可以满足单极天线的输入阻 抗与发射器输出或接收器输入阻抗相匹配。基站无线数据接收电路见图2 5 2 3 1 4 基站数据存储电路设计 基站数据存储电路的设计非常必要，因为c a n 总线接口和上位机之间出 现故障或者出现断电等意外情况，基站可以启动备用电源而继续工作，为保 证基站所采集的识别卡数据不丢失，在设计时为基站提供一个数据存储电路 当基站发现和上位机通信失败时，就可以将所采集到的数据不向上位机发送， 而是存储f l a s h 中 当系统故障恢复后，通过上位机自行下载f l a s h 芯片中的数据。这样能 够保证数据不丢失f l a s h 芯片选择a t 4 5 d b 0 8 l ，存储容量可达8 m b ，这款芯 片还提供两个2 6 4 b y t e 的s d r 删缓冲区，已经足够本系统使用，如果数据量 很大，可以考虑选择其它存储容量的芯片，但考虑到价格，本系统就选择了 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a t 4 5 d b 0 8 1 作为数据存储芯片。功耗低，其工作电压为2 5 v 3 6 v ，工作电 流4 m a 基站数据存储电路设计见图2 6 图2 6 基站数据存储电路 2 3 2 识别卡电路设计 识别卡电路设计要考虑射频芯片的选择和频率的选择射频芯片和存储 芯片必须选择工作电压很低的芯片。频率的选择必须依据具体的矿井下环境 做实验来确定 识别卡的射频芯片采用2 4 e 1 射频芯片，其最小工作电压为1 9 v ，详细 参数见表2 1 考虑到用矿灯电池为识别卡提供电源，而矿灯在使用中即使 矿灯不发光了，其电池电压也不会低于2 o v ，所以，2 4 e 1 芯片很适合作为识 别卡发射芯片发射天线采用单极天线，本系统所设计的单极天线的输入阻 抗为5 0 欧姆。采用2 5 从3 2 0 芯片作为存储器，其存储容量为3 2 k ，最小工作 电压为1 8 v ，时钟频率为1 删z ，属于低功耗器件，很适合识别卡数据存储 工作温度一4 0 1 2 5 摄氏度，适合矿井下工作环境。其电路设计如图2 7 所示 本论文来源于鹤岗南山煤矿井下人员定位系统项目，射频芯片的频率选 择必须依据具体的实验测试才可以选择。南山煤矿竖井深度为5 0 0 米，共3 个水平，第一水平深度为3 0 0 米，第二水平深度为4 0 0 米，第三水平深度为 5 0 0 米采用p r o t e k 3 2 0 0 场强测试仪分三个频段对电磁干扰进行测试。实验 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表明，在同一个水平电磁干扰分布规律只有一种，下面列举在第三水平实验 测得结果 图2 7 识别卡电路图 1 0 0 3 0 0 m h z 频段内：电磁干扰的频谱功率密度最大；低干扰电平的频 点最少；4 0 0 6 0 0 删z 频段内：电磁干扰的频谱功率密度较小；低干扰电平 的频点稍多；8 0 0 1 0 0 0 m h z 频段内；电磁干扰的频谱功率密度明显下降，为 这三个频段最小；低干扰电平的频率较上两个频段相比有增加 综合实验结果，频率选在8 5 0 0 8 6 9 o w l z ，频率问隔选为0 1 m h z ，共 有2 0 0 个频段可用，足够满足系统要求。 2 4 硬件抗干扰设计 矿井下定位通信系统数据传输的可靠性是由多种因素决定，其抗干扰性 能是无线数据传输系统可靠性的重要指标。因此，抗干扰设计是整体设计工 作中的一个重要内容。尽管单片机的抗干扰能力很强。但是，组成系统时也 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 应考虑各方面的干扰，特别是系统中有射频电路存在时干扰主要有以下几 方面：电源干扰、各功能模块干扰、空间干扰、传输线路干扰等等。因此， 在系统硬件设计中，应充分考虑这些干扰并设计消除或尽量减少这些干扰的 影响抗干扰设计的一般是抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件 的抗干扰性能。 2 4 1 抗电源干扰 在系统中采用d c - d c 电源，使输入和输入隔离，防止大功率器件产生的 电源波动影响到后级，保证控制器的正常可靠工作在稳压电源的输入和输 出端并联电容，在所有数字集成电路元件的电源与地之问加去耦电容，从而 消除电源中出现的电压尖峰模拟信号输入时，在a d 转换前采用通用的低 通滤波技术，滤掉混入模拟信号的高频成分 2 4 2 射频收发模块p c b 设计 设计双层p c b 板，p c b 板的底层是接地层，顶层用来布信号线，空白区 域应铺上金属层，该金属层通过几个过孔接地。接地管脚应使用单独的过孔， 尽量靠近封装管脚接地，去耦电容也应该尽量靠近电源脚放置，并通过单独 的过孔与接地层相连，外围元件越小越好，最好使用表贴元件 这样设计，提高了系统的抗干扰能力，增强了矿井下定位通信系统数据 传输的可靠性。 2 5 本章小结 本章研究矿井下定位通信系统硬件设计部分首先，阐述了通信系统硬 件结构，详细介绍通信系统的工作原理。基站负责整个通信系统的无线信息 采集和上位机之间有线通信，基站和识别卡之间采用无线通信，基站和上位 机之间采用c a n 总线接口设计。基站c p u 采用m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机作为核心控 制器。同时介绍当前几种较流行的无线射频芯片的性价比，选择出适合本系 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 统的射频芯片；基站采用2 4 e i 作为无线接收芯片，识别卡采用2 4 e i 作为无 线发送芯片。其次，依据所选用芯片对系统核心电路和外围电路进行了设计 最后，依据矿井下特殊环境对通信系统硬件电路进行抗干扰设计，包括系统 自身元件的抗干扰和外部抗干扰设计，保证数据传输的可靠性 啥尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章矿井下定位通信系统软件设计 3 1 通信协议设计 通信协议是通信双方都要遵循的规则。矿井下定位通信系统协议分为两 部分，射频收发模块之间无线通信协议、上位机与基站之问有线通信协议 3 1 1 射频收发模块之间通信协议 由于矿井下工作环境恶劣和射频收发模块特性决定了通信可能在收发模 块之间要受到外界干扰而导致数据发生错误。所以需要设计一个稳定可靠通 信协议来保证基站能够正确接收来自识别卡数据。 3 1 1 1 无线接入技术选择 频分多址( f d 姒) ，时分多址( 咧a ) 和码分多址( c d ) 是在无线通信系统 中的三个主要接入技术。通常把多址系统的双工技术和特定的多址模式结合 在一起构成多址通信系统。f d m a 只适用于用户数比较少，通信业务量又比较 稳定的网络t d m a 根据用户的需要为其分配一定的信道容量，适用于通信业 务量随时间变化井下人员网络是由大量用户组成，而这些用户又只是间歇 性地工作，并且通信业务量小。如果技术上采用c 呲，投入经济成本是比较 高的，对于本系统只需要收集很少的数据来说，是一种比较大的浪费通信 数据信息只包括一个人员编码和确保通信成功的一些冗余码在井下巷道沿 途放置身份码监测站，当有人员通过的时候，人员随身携带的移动台就发送 人员信息给身份码监测站因为人员是流动的，系统无法预知人员什么时间 会在什么地点可以看出矿井下无线数据通信从通信时间上来看，具有定 的随机性。 假设单个频道内所有用户发射的所有分组有固定长度和固定信道数据速 率，以及所有其他用户可以在任一随机对问产生新的分组并且假设发射服 从分组到达率为p o i s s o n 分布。在t d m a 接入技术下，如果用f 表示发射分组 哈尔滨工程大学硕士学位论文 所需的时间，吞吐量膏由下式求出“： 贝a f( 3 - 1 ) 归一化吞吐量可由成功发射概率乘以总负荷嘲，也就是： t - r