柯秋立，蘇凱雄
?。ǜＶ荽髮W(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350002）
摘要：為了對北斗衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)(Radio Determination Satellite Service，RDSS)報文與衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(Radio Navigation Satellite Service，RNSS)報文的控制實現(xiàn)功能集成，設(shè)計一種針對北斗用戶終端模塊的軟件系統(tǒng)。基于前后臺分離的設(shè)計思想來構(gòu)架該軟件，即后臺線程負(fù)責(zé)使用串口與用戶終端模塊通信,包括對RDSS/RNSS數(shù)據(jù)的接收解析和對RDSS數(shù)據(jù)的封裝發(fā)送；前臺用戶界面完成數(shù)據(jù)的可視化，并實現(xiàn)靈活的人機交互。前后臺線程之間采用并發(fā)技術(shù)實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的快速處理。
關(guān)鍵詞：RDSS；RNSS；集成; 控制
中圖分類號：TN927+.2文獻標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.10.005
引用格式：柯秋立，蘇凱雄.北斗通信終端軟件的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.微型機與應(yīng)用，2017,36（10）：15-17,22.
0引言
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為后起之秀，相關(guān)應(yīng)用等待挖掘，具有很大的市場潛力。鑒于GPS的應(yīng)用經(jīng)驗，在北斗一代系統(tǒng)導(dǎo)航終端的市場化過程中，有北斗系統(tǒng)RDSS業(yè)務(wù)與GPS RNSS業(yè)務(wù)相結(jié)合的導(dǎo)航終端案例，并且北斗二代系統(tǒng)也實現(xiàn)了與GPS類似的RNSS業(yè)務(wù)［1］，因而結(jié)合了RDSS業(yè)務(wù)與RNSS業(yè)務(wù)的終端軟件將會在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用過程中發(fā)揮出巨大作用。
本文針對此需求，設(shè)計一種控制軟件系統(tǒng)，對北斗RDSS、RNSS綜合業(yè)務(wù)進行報文控制，包括數(shù)據(jù)通信、授時、終端移動數(shù)據(jù)獲取等功能，并且具有較好的人機交互效果。
1北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端系統(tǒng)概述
如圖1所示，一個完整的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端系統(tǒng)，主要由北斗用戶終端模塊（該模塊同時具有北斗一代的RDSS業(yè)務(wù)功能與GPS、北斗二代的RNSS業(yè)務(wù)功能）、Windows平臺、后臺數(shù)據(jù)處理線程、人機界面四個部分組成。整個北斗導(dǎo)航終端系統(tǒng)的功能主要是RDSS/RNSS數(shù)據(jù)幀的接收解析與封裝發(fā)送。數(shù)據(jù)幀接收過程：北斗用戶終端首先將天線接收到的北斗信號經(jīng)過模塊內(nèi)部的信號處理，轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)并輸出到PC。串口數(shù)據(jù)進入PC后由后臺線程根據(jù)幀協(xié)議解析，得到用戶應(yīng)用數(shù)據(jù)。該應(yīng)用數(shù)據(jù)將被人機界面進行可視化處理。數(shù)據(jù)幀發(fā)送過程：用戶在人機界面發(fā)送命令時，該命令對應(yīng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)被后臺線程封裝成協(xié)議幀并輸出到串口。北斗用戶終端將得到的串口數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部信號處理后，通過天線發(fā)送出去。
2軟件系統(tǒng)實現(xiàn)
軟件系統(tǒng)的設(shè)計主要由兩部分組成：后臺線程設(shè)計和用戶界面設(shè)計。下面針對這兩部分的具體實現(xiàn)做詳細(xì)闡述。
2.1后臺線程實現(xiàn)
后臺線程的設(shè)計主要涉及RDSS/RNSS協(xié)議幀的接收、解析算法，解析與顯示快速響應(yīng)算法。算法涉及RDSS/RNSS兩種報文，基于兩種不同的協(xié)議規(guī)范，一種是北斗用戶機接口協(xié)議（4.0），另一種是NMEA0183協(xié)議。
2.1.1用戶接口協(xié)議
用戶接口協(xié)議規(guī)范了通信應(yīng)用數(shù)據(jù)幀的格式。北斗一代接口數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（4.0）在該控制軟件中主要用于規(guī)范北斗通信數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)，而NMEA0183協(xié)議主要用于規(guī)范衛(wèi)星的位置數(shù)據(jù)和終端設(shè)備的移動數(shù)據(jù)。
北斗用戶機接口協(xié)議（4.0）如圖2所示。“用戶地址”是指作為發(fā)送方的北斗卡號碼，而接收方的北斗卡號碼被包含在“信息內(nèi)容”字段中。
由北斗用戶機接口協(xié)議（4.0）可知，該協(xié)議數(shù)據(jù)幀是以字節(jié)為單位來表示信息，所以要將該數(shù)據(jù)幀原有的字節(jié)類型轉(zhuǎn)換為方便計算機處理的基本數(shù)據(jù)類型［2］。
北斗用戶機接口協(xié)議（4.0）中，在北斗終端設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)通信的方式有“代碼”、“漢字”兩種。在北斗終端設(shè)備實際通信過程中，當(dāng)通信數(shù)據(jù)出現(xiàn)中英文數(shù)字混合的情況時，應(yīng)選擇“代碼”方式發(fā)送；如果單純發(fā)送數(shù)字，由于數(shù)字的范圍是0~9,為了更有效地利用有限帶寬，可以在“代碼”通信方式中進行拓展，用4 bit來表示一個數(shù)字，而不是原來ASCII規(guī)范的1 B來表示一個數(shù)字。
NMEA0183協(xié)議（National Marine Electronics Association ）是為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式，定義了接收機輸出信息的標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議用逗點隔開數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流長度為30~100字符不等，通常以每秒間隔選擇輸出［3］。常用的NMEA0183協(xié)議語句功能如表1所示。
2.1.2數(shù)據(jù)接收算法
數(shù)據(jù)幀接收模塊的輸入為字節(jié)數(shù)據(jù)流，模塊通過不斷地讀取串口緩沖區(qū)，經(jīng)內(nèi)部處理，輸出完整的協(xié)議幀語句。數(shù)據(jù)接收模塊的內(nèi)部流程圖如圖3所示。
由于RNSS（北斗二代、GPS）數(shù)據(jù)幀采用NMEA0183協(xié)議規(guī)范，RDSS（北斗一代）數(shù)據(jù)幀采用北斗用戶機接口協(xié)議（4.0）規(guī)范，因而數(shù)據(jù)幀的接收需要適配兩種協(xié)議規(guī)范。
根據(jù)圖2北斗用戶機接口協(xié)議（4.0）規(guī)范，該類數(shù)據(jù)幀的完整接收策略為：接收方先接收該幀的長度數(shù)據(jù)，作為該幀數(shù)據(jù)量大小的標(biāo)準(zhǔn)；然后，接收幀體并計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值與長度數(shù)據(jù)相等時就表示該幀接收完整。
根據(jù)NMEA0183協(xié)議規(guī)范，該類數(shù)據(jù)幀的完整接收策略為：接收到幀頭“$”時表示有效數(shù)據(jù)開始，一直接收，直到收到幀尾“\\r\\n”時表示一個數(shù)據(jù)幀結(jié)束。
2.1.3數(shù)據(jù)解析算法
數(shù)據(jù)解析涉及北斗用戶機接口協(xié)議（4.0）和NMEA0183協(xié)議，而且由于兩類數(shù)據(jù)流都是由同一個串口來進行數(shù)據(jù)通信，因而數(shù)據(jù)解析時，算法必須適配兩種協(xié)議。
部分?jǐn)?shù)據(jù)解析的算法流程圖如圖4所示。
解析即在數(shù)據(jù)幀里提取相應(yīng)字段的信息并顯示。首先需要將數(shù)據(jù)幀從字節(jié)流形式通過ASCII規(guī)范轉(zhuǎn)換為字符串形式以便編程處理［4］。將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為字符串形式后，利用編程語言的字符串分割方法便可以很容易地得到各個字段的應(yīng)用數(shù)據(jù)信息。
對于通信信息“$TXXX”、時間信息“$SJXX”、定位信息“$DWXX”、移動數(shù)據(jù)“$RMC”直接將應(yīng)用數(shù)據(jù)交付用戶界面；對于有關(guān)可見衛(wèi)星編號、衛(wèi)星俯仰角、信號載噪比的“$GSV”語句，需要將衛(wèi)星編號與其俯仰角或載噪比等數(shù)據(jù)組合成鍵值對再交付用戶界面，以便于該數(shù)據(jù)在柱狀圖、星座圖上顯示。
2.1.4快速響應(yīng)方法
數(shù)據(jù)接收與數(shù)據(jù)解析，這兩個流程之間的同步形式直接決定了軟件響應(yīng)的速度。該軟件將這兩個流程分別設(shè)計成兩個獨立的線程，并且采用緩沖技術(shù)，極大地提高了響應(yīng)速度。
首先，在內(nèi)存空間開辟n個緩存區(qū)。
之后，數(shù)據(jù)接收線程將完整的數(shù)據(jù)幀填入緩存區(qū)1。緩存區(qū)1填完之后，數(shù)據(jù)接收線程將新的完整數(shù)據(jù)幀填入緩存區(qū)2。重復(fù)這個過程直到最后一個緩存區(qū)n被填完，又重新開始填充緩存區(qū)1。數(shù)據(jù)接收線程將一直循環(huán)這樣的流程。
與此同時，數(shù)據(jù)解析線程首先判斷緩存區(qū)1是否填滿，如果已經(jīng)填充完成，那么就將該數(shù)據(jù)幀進行解析；如果還沒完成，那么等待。緩存區(qū)1的數(shù)據(jù)幀解析完成之后，立刻又對緩存區(qū)2的數(shù)據(jù)幀進行解析。直到最后一個緩存區(qū)n的數(shù)據(jù)幀被解析完，又重新從緩存區(qū)1開始解析數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)解析線程將一直重復(fù)這樣的流程。
2.2前臺界面設(shè)計
用戶界面的輸入主要有“定位申請”和“通信申請”命令，而接收的信息主要有用戶通信信息、用戶移動數(shù)據(jù)（速度、經(jīng)緯度等）和衛(wèi)星數(shù)據(jù)（衛(wèi)星數(shù)、衛(wèi)星俯仰角等）。本次用戶界面設(shè)計采用Visual Studio 2010為開發(fā)工具。利用Windows Form框架［5］將解析得到的應(yīng)用數(shù)據(jù)如衛(wèi)星信號載噪比數(shù)據(jù)、衛(wèi)星俯仰角數(shù)據(jù)在柱狀圖、星座圖上進行顯示，而對于其他簡單的應(yīng)用數(shù)據(jù)，則使用文字顯示。最終得到如圖5所示界面。
3軟件系統(tǒng)測試
本次軟件設(shè)計的測試平臺是PC Windows操作系統(tǒng)環(huán)境，北斗終端用戶機采用FB3511。該軟件將對用戶機的報文進行控制處理。運行軟件，待鎖定北斗衛(wèi)星信號后開始進行測試。
(1)定位功能功能測試
按下“單次定位”按鈕，“北斗報文顯示”框給出經(jīng)緯度信息，如圖6。輸出的經(jīng)緯度信息與測試地經(jīng)緯度一致，表明RDSS定位報文控制功能正確實現(xiàn)。圖中，“單次定位”命令未能及時響應(yīng)，這是由于該北斗卡限制報文發(fā)送頻度為60秒所致。
(2)通信功能測試
在“收方地址”填入本機卡號307577，即發(fā)給本臺設(shè)備。在信息發(fā)送框填入“你好，北斗 hello BD”，在“北斗報文顯示”框里面就會收到該信息，如圖7。收發(fā)信息一致，表明RDSS收發(fā)報文功能正確實現(xiàn)。
(3)設(shè)備移動信息功能測試
設(shè)備的移動數(shù)據(jù)由北斗衛(wèi)星不斷地發(fā)送到用戶終端設(shè)備，如圖8。授時時間符合北京時間，定位衛(wèi)星數(shù)、視野衛(wèi)星數(shù)等與接收的報文數(shù)據(jù)一致，設(shè)備移動信息包括対地速度與航向與設(shè)備實際情況一致，表明RNSS報文解析功能正確實現(xiàn)?！?/p>
4結(jié)論
該軟件系統(tǒng)采用了Windows Form框架和多線程并發(fā)技術(shù)進行軟件設(shè)計，合理規(guī)劃各個數(shù)據(jù)處理流程的分工，將數(shù)據(jù)處理的負(fù)荷合理分配到各個部分。實際測試表明，該軟件能夠?qū)DSS/RNSS兩種協(xié)議報文進行可靠、準(zhǔn)確的控制，做到快速響應(yīng)，為后續(xù)的軟件應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)。
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