基于北斗通信与定位的深海回收信标系统研制课题答辩
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④
⑤
⑥
上位机
甲板接收机
①
③
②
北斗指挥机
北斗系统地面中心站 浏览器客户端
海洋
陆地
系统方案
水下信标系统
①天线盖
北斗天线 定位天线
信标电路主板
②主仓体
通信模块
③信标机主板
信标电路主板
定位模块 MCU 用户配置 电源模块
电池 仓， 信标 机的 供电 设备
④电池仓
⑤压力开关
机械结构，控 制电源开关
系统方案
3V R26 1.5K R27 22 GND R28 22 IO1 GND IO2 IO1 VCC IO2 3V
USB_VCC
USB_VCC
R6 330
Vbus DD+ NC GND
C39 0.1uF
USBDM USBDP
USBLC6-2P6 GND
CHRG CHRG GND VBAT+ GND BAT LTC4054 VCC PROG
USB
稳压变换 18650电池2节并 联供电
Micro-USB 接口
5V
电量检测
水下信标机
甲板接收机
技术方案
电源方案
L4 2.2uF VBattery U5 4 5 8 6 7 9 C27 0.1uF L1 L2 2 VIN VOUT 1 VINA 10 EN FB PS/SYNC 3 GND PGND TPS63000 R26 200K 3V R24 1M C24
L2
C10 100pF
C36 100pF
C37 100pF
C38 100pF
C40 100pF
C41 100pF
C42 100pF
TM0510模块电路
TM0510 5V
技术方案
卫星定位电路
GPS_Reset 3V R23 1K L5 68nH SMB
nReset AADET_N TIME_PULSE EXTINT0 GPIO2 TXD2 RXD2 RSV VCC_RF GND RF_IN GND UM220-III N
TF_CS TF_MOSI 3V TF_SCLK TF_MISO TF_Detect
WiFi_GND
SD卡电路
WiFi模块电路
技术方案
仓体关键结构
天线盖
压力开关
电池仓
技术方案
嵌入式软件
mbed OS移植 驱动类设计
水下信标机应用软件设计
甲板接收机应用软件设计
技术方案
驱动类名称 BDS TM0510 WiFi INI Battery SDFileSystem FileHandle
其他模块
3V C2 0.1uF C3 0.1uF C4 0.1uF C7 R2 100R R3 100R L1 L2 C8 D1 D2 UART_TX UART_RX
R31 4.7K
Energy_Profiler
VBAT+
3V
DS2780 NC PIO QD SNS VDD VIN OVD VSS
5V
10uF 10uF
R9 27K Q2 R16 10K C23 4.7nF SW
R12 ILIM 127K R14 1 FSW 301K R19 4 COMP 17.4K TPS61089
8
FB GND
3 5
R15 76.8K
R17 243K
3V电源电路
5V电源电路
技术方案
锂电池充电及保护方案
N
+getInstance(): BDS * 单例方法 +Reset(): void +ON(): void +OFF(): void +onState(): bool +ParseBDS(bds_info: BDS_Info *): bool -BDS() 数据帧捕获 -getData(): void
3V GND VCC V_BCKP RXD1 TXD1 SCL SDA SPI_CS SPI_SCK SPI_SDI SPI_SDO GND PWR GND PWR GPS_RX GPS_TX 3V
GPS_EN
SI2302
C30 C31 100nF 100nF
C28 0.1uF
C29 0.1uF
GND
R31 0
SI2302
WiFi_EN PWM1 PWM2 PWM3 PWR_SW UART_TX UART_RX RESET nReload DVDD GND
C30 10uF R29 510
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
C44 0.1uF
R32 510 R34 4.7K R35 4.7K R36 4.7K GND WiFi_TX WiFi_RX WiFi_RESET WiFi_RELOAD 3V WiFi_GND
R12 500
R30 1K
C30 0.1uF
R33 20mR GND
传感器及配置接口电路
3V
电量监测电路
3V GND
nReady nLink
3V
R1 4.7K
R2 4.7K
R3 4.7K
R4 4.7K
R5 4.7K
C1 0.1uF TF DAT2 CD/DAT3 CMD VDD CLK VSS DAT0 DAT1 CD
Byte == ‘,’
Y 是否为RMC数据帧
数据帧解析
N
Y
Byte写入缓冲区
Byte == ‘\r’
BDS主要类图
Y
完成捕获
RMC数据帧捕获流程
技术方案
TM0510类
TM0510 -handler: TM0510 * -p_stHead: COMM_FRAM_HEAD * -p_stInfo: COMM_FRAM_INFO * -s_stComm2TrmData: COMM_TRM_DATA -onState: bool -TxBuffer: uint8_t * -RxBuffer: uint8_t * -_tm0510: RawSerial +getInstance(): TM0510 * +ICDetect(): void +LocateReq(src_addr: uint32_t): void +TxReq(info: const void *, dst_addr: uint32_t, src_addr: uint32_t ): void +TM0510Parse(): void +ON(): void +OFF(): void -RxTM0510Data(byData: uint8_t): void -TM0510() -TxData(len: uint16_t): void
C2 22uF R4 5.1K
C3 0.1uF
C4 100pF VCC
VPP GND
CLK IO RESET VCC
R5 51R R6 51R R7 51R B4 100M/600R
VCC_PA C6 220uF C7 220uF C68 0.1uF
SIM C9 0.1uF ESD1 ESD2 ESD3 ESD4
驱动类设计
对应资源模块
UM220-IIIN双星定位模块 TM0510和RD0538北斗通信模块 USR-C215有人科技WiFi模块 EEPROM D2780智能电量计 SD卡模块
职责
提供从双星定位模块获取数据帧，解析数据， 控制定位模块开关等方法 提供控制北斗模块短报文通信，定位，指令捕 获，报文解析，模块开关等方法 将文件发送到上位机，还提供了模块开关、开 关状态查询、模块复位等公有方法。 提供加载、配置工作参数的方法 提供了获取句柄、获取电池工作参数、获取取 样电阻等方法 提供FAT文件系统建立和SD卡读写等方法
用户侧系统
用户侧系统
陆上接收单元 甲板接收单元 Web服务器
上位机
甲板接收机
北斗指挥机
浏览器客户端
海上
陆上
系统方案
主要功能
技术指标
● 系统提供Web端访问功能
● 上位机支持水下信标机工作参数配置及甲板接收机文件导出、分析的功能
● 水下信标机发送频度等工作参数可配置 ● 甲板接收机支持触摸操作，数据本地存储，电量监测、过冲过放保护及WiFi通信方式
BD_TXD BD_RXD
R8 5.1K
RD0538模块电路
5V
Satellite_TX Satellite_RX VCC VCC VCC VCC VCC GND VCCPA VCCPA VCCPA VCCPA VCCPA VCCPA VCCPA VCCPA VCCPA RX TX GND GND GND SD SCLK SRSTN GND GND GND GND GND GND GND
铱星9602收发器、GPS定位；6节C型碱性电池、工作大 于90天(间隔1小时发送数据)、水压开关、手动开关； 工作温度：-40至+85摄氏度，最大耐压7300m。
铱星9523收发器、GPS定位；其他参数不详
杭州电子科技大学 LED指示+铱星信 标机
超亮LED光指示、铱星通讯、GPS定位；3W LED正常情 况3公里内可视；9602铱星收发器，可发送300次铱星数 据；工作温度：-40至+60摄氏度，最大耐压6000m
PWR
技术方案
C1 0.1uF C5 0.1uF 1 3 4 5 MCU_TX MCU_RX 11 10 12 9 U1 C1+ C1C2+ C2T1IN T2IN R1OUT R2OUT MAX232 16 VCC 2 VDD VEE 6 GND 15 T1OUT T2OUT R1IN R2IN 14 7 13 8
UART MOS
UART MOS UART MOS
SPI
TF卡存储 2 LED
GPS/北斗 双星定位
UART MOS
STM32L1 处理器
3.3V 5V
北斗RD0538
北斗TM0510 Debug
STM32F1 处理器
IO
UART
3.3V 5V
UART IO
WiFi模块
稳压变换 ER34615电池 组
基于北斗通信与定位的深海 回收信标系统研制
导 师：蔡文郁 副教授
答辩人：张鹏鹏
课题背景
系统方案
技术方案 调试测试
目录
总结展望
课题背景
研究背景
在对海洋观测系统进行回收时发现系统最终位置相比投放位置常发生较 大变化，给设备回收造成一定困难。 现有回收系统使用的定位及通信卫星都由外国控制。 北斗通信与定位系统日益完善。
BAT_GND
GND
锂电池充电电路
充放电保护电路
技术方案
卫星通信电路
L1 R1 5.1K R2 5.1K R3 ND1 TX_OUT GND2 GND3 IC_SCLK IC_SD IC_SRSTIN IC_VCC GND4 RESET GND5 TX1 RX1 TX0 RX0 GND6 RX_IN GND7 C11 RD0538 VCC GND16 EN GND15 VCC_PA3 VCC_PA2 VCC_PA1 GND14 GND13 GND12 GPIO1 GPIO0 1PPS GND11 GND10 GPIO2 GND9 GND8
R8 1.25K USB_VCC GND P1 1 2 BAT BAT_GND VBAT+
VBAT+
R10 1K
R11 100 C7 0.1uF
4 5 6
BAT_GND
TD VDD GND DW01
OC CSI OD
3 2 1
4 5 6
G2
S2
3 2 1
GND
C5 1uF
D1/D2 D1/D2 G1 8205A S1
VBattery R6 10K Q1
L3 1.8uH U3
9
SW
11
VIN VCC EN
SW BOOT VOUT
C26 D3 10uF
R25 100
Beidou_EN
R8 4.7K
C10 22uF
C11 0.1uF
C13 2.2uF
2 7
C12 0.1uF
10 6
C25
C14 C15 C16 C17 1uF 22uF 22uF 22uF
课题背景
研究机构及型号
加拿大Xeostech公 司XMi-7500
已有研究
实物图
指标
铱星9603收发器；6节AA电池、工作大于96天(间隔90 秒发送数据)、休眠电流500uA、平均传输电流 50mA(30秒)； 工作温度：-40至+60摄氏度，最大耐压7500m。
加拿大MetOcean 公司IR-7300 中北大学电子测试 技术重点实验室 Iridium9523信标 机
课题背景
存在问题
主流信标产品在用户侧的数据呈现系统不够完善 使用不够方便。 信息呈现方式不够友好。 国内基于卫星通信与定位技术的信标系统的核心技 术依赖于国外发达国家 技术垄断，使用资费高。 容易发生信息泄露事件，危及国家安全。
系统方案
北斗卫星
甲板系统
工作原理
陆上接收单元
技术指标
● 系统使用北斗系统通信、定位 ● 系统定位精度≤3m ● 耐压仓体要能够工作深度≥6000m ● 水下信标机持续工作时间≥7天，电池容量为14500mAh ● 甲板接收机持续工作时间≥20小时，电池容量为5200mAh
技术方案
硬件框架
TFT液晶屏
传感器及配置接 口
UART
UART
GPS/北斗 双星定位
技术方案
-handler: BDS * -_reset: DigitalOut -_en: DigitalOut -on_state: bool -gps_buffer: char * -bds_info: BDS_Info *
BDS类
开始
BDS
N
Byte == ‘$’
Y N
Byte写入缓冲区
⑤
⑥
上位机
甲板接收机
①
③
②
北斗指挥机
北斗系统地面中心站 浏览器客户端
海洋
陆地
系统方案
水下信标系统
①天线盖
北斗天线 定位天线
信标电路主板
②主仓体
通信模块
③信标机主板
信标电路主板
定位模块 MCU 用户配置 电源模块
电池 仓， 信标 机的 供电 设备
④电池仓
⑤压力开关
机械结构，控 制电源开关
系统方案
3V R26 1.5K R27 22 GND R28 22 IO1 GND IO2 IO1 VCC IO2 3V
USB_VCC
USB_VCC
R6 330
Vbus DD+ NC GND
C39 0.1uF
USBDM USBDP
USBLC6-2P6 GND
CHRG CHRG GND VBAT+ GND BAT LTC4054 VCC PROG
USB
稳压变换 18650电池2节并 联供电
Micro-USB 接口
5V
电量检测
水下信标机
甲板接收机
技术方案
电源方案
L4 2.2uF VBattery U5 4 5 8 6 7 9 C27 0.1uF L1 L2 2 VIN VOUT 1 VINA 10 EN FB PS/SYNC 3 GND PGND TPS63000 R26 200K 3V R24 1M C24
L2
C10 100pF
C36 100pF
C37 100pF
C38 100pF
C40 100pF
C41 100pF
C42 100pF
TM0510模块电路
TM0510 5V
技术方案
卫星定位电路
GPS_Reset 3V R23 1K L5 68nH SMB
nReset AADET_N TIME_PULSE EXTINT0 GPIO2 TXD2 RXD2 RSV VCC_RF GND RF_IN GND UM220-III N
TF_CS TF_MOSI 3V TF_SCLK TF_MISO TF_Detect
WiFi_GND
SD卡电路
WiFi模块电路
技术方案
仓体关键结构
天线盖
压力开关
电池仓
技术方案
嵌入式软件
mbed OS移植 驱动类设计
水下信标机应用软件设计
甲板接收机应用软件设计
技术方案
驱动类名称 BDS TM0510 WiFi INI Battery SDFileSystem FileHandle
其他模块
3V C2 0.1uF C3 0.1uF C4 0.1uF C7 R2 100R R3 100R L1 L2 C8 D1 D2 UART_TX UART_RX
R31 4.7K
Energy_Profiler
VBAT+
3V
DS2780 NC PIO QD SNS VDD VIN OVD VSS
5V
10uF 10uF
R9 27K Q2 R16 10K C23 4.7nF SW
R12 ILIM 127K R14 1 FSW 301K R19 4 COMP 17.4K TPS61089
8
FB GND
3 5
R15 76.8K
R17 243K
3V电源电路
5V电源电路
技术方案
锂电池充电及保护方案
N
+getInstance(): BDS * 单例方法 +Reset(): void +ON(): void +OFF(): void +onState(): bool +ParseBDS(bds_info: BDS_Info *): bool -BDS() 数据帧捕获 -getData(): void
3V GND VCC V_BCKP RXD1 TXD1 SCL SDA SPI_CS SPI_SCK SPI_SDI SPI_SDO GND PWR GND PWR GPS_RX GPS_TX 3V
GPS_EN
SI2302
C30 C31 100nF 100nF
C28 0.1uF
C29 0.1uF
GND
R31 0
SI2302
WiFi_EN PWM1 PWM2 PWM3 PWR_SW UART_TX UART_RX RESET nReload DVDD GND
C30 10uF R29 510
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
C44 0.1uF
R32 510 R34 4.7K R35 4.7K R36 4.7K GND WiFi_TX WiFi_RX WiFi_RESET WiFi_RELOAD 3V WiFi_GND
R12 500
R30 1K
C30 0.1uF
R33 20mR GND
传感器及配置接口电路
3V
电量监测电路
3V GND
nReady nLink
3V
R1 4.7K
R2 4.7K
R3 4.7K
R4 4.7K
R5 4.7K
C1 0.1uF TF DAT2 CD/DAT3 CMD VDD CLK VSS DAT0 DAT1 CD
Byte == ‘,’
Y 是否为RMC数据帧
数据帧解析
N
Y
Byte写入缓冲区
Byte == ‘\r’
BDS主要类图
Y
完成捕获
RMC数据帧捕获流程
技术方案
TM0510类
TM0510 -handler: TM0510 * -p_stHead: COMM_FRAM_HEAD * -p_stInfo: COMM_FRAM_INFO * -s_stComm2TrmData: COMM_TRM_DATA -onState: bool -TxBuffer: uint8_t * -RxBuffer: uint8_t * -_tm0510: RawSerial +getInstance(): TM0510 * +ICDetect(): void +LocateReq(src_addr: uint32_t): void +TxReq(info: const void *, dst_addr: uint32_t, src_addr: uint32_t ): void +TM0510Parse(): void +ON(): void +OFF(): void -RxTM0510Data(byData: uint8_t): void -TM0510() -TxData(len: uint16_t): void
C2 22uF R4 5.1K
C3 0.1uF
C4 100pF VCC
VPP GND
CLK IO RESET VCC
R5 51R R6 51R R7 51R B4 100M/600R
VCC_PA C6 220uF C7 220uF C68 0.1uF
SIM C9 0.1uF ESD1 ESD2 ESD3 ESD4
驱动类设计
对应资源模块
UM220-IIIN双星定位模块 TM0510和RD0538北斗通信模块 USR-C215有人科技WiFi模块 EEPROM D2780智能电量计 SD卡模块
职责
提供从双星定位模块获取数据帧，解析数据， 控制定位模块开关等方法 提供控制北斗模块短报文通信，定位，指令捕 获，报文解析，模块开关等方法 将文件发送到上位机，还提供了模块开关、开 关状态查询、模块复位等公有方法。 提供加载、配置工作参数的方法 提供了获取句柄、获取电池工作参数、获取取 样电阻等方法 提供FAT文件系统建立和SD卡读写等方法
用户侧系统
用户侧系统
陆上接收单元 甲板接收单元 Web服务器
上位机
甲板接收机
北斗指挥机
浏览器客户端
海上
陆上
系统方案
主要功能
技术指标
● 系统提供Web端访问功能
● 上位机支持水下信标机工作参数配置及甲板接收机文件导出、分析的功能
● 水下信标机发送频度等工作参数可配置 ● 甲板接收机支持触摸操作，数据本地存储，电量监测、过冲过放保护及WiFi通信方式
BD_TXD BD_RXD
R8 5.1K
RD0538模块电路
5V
Satellite_TX Satellite_RX VCC VCC VCC VCC VCC GND VCCPA VCCPA VCCPA VCCPA VCCPA VCCPA VCCPA VCCPA VCCPA RX TX GND GND GND SD SCLK SRSTN GND GND GND GND GND GND GND
铱星9602收发器、GPS定位；6节C型碱性电池、工作大 于90天(间隔1小时发送数据)、水压开关、手动开关； 工作温度：-40至+85摄氏度，最大耐压7300m。
铱星9523收发器、GPS定位；其他参数不详
杭州电子科技大学 LED指示+铱星信 标机
超亮LED光指示、铱星通讯、GPS定位；3W LED正常情 况3公里内可视；9602铱星收发器，可发送300次铱星数 据；工作温度：-40至+60摄氏度，最大耐压6000m
PWR
技术方案
C1 0.1uF C5 0.1uF 1 3 4 5 MCU_TX MCU_RX 11 10 12 9 U1 C1+ C1C2+ C2T1IN T2IN R1OUT R2OUT MAX232 16 VCC 2 VDD VEE 6 GND 15 T1OUT T2OUT R1IN R2IN 14 7 13 8
UART MOS
UART MOS UART MOS
SPI
TF卡存储 2 LED
GPS/北斗 双星定位
UART MOS
STM32L1 处理器
3.3V 5V
北斗RD0538
北斗TM0510 Debug
STM32F1 处理器
IO
UART
3.3V 5V
UART IO
WiFi模块
稳压变换 ER34615电池 组
基于北斗通信与定位的深海 回收信标系统研制
导 师：蔡文郁 副教授
答辩人：张鹏鹏
课题背景
系统方案
技术方案 调试测试
目录
总结展望
课题背景
研究背景
在对海洋观测系统进行回收时发现系统最终位置相比投放位置常发生较 大变化，给设备回收造成一定困难。 现有回收系统使用的定位及通信卫星都由外国控制。 北斗通信与定位系统日益完善。
BAT_GND
GND
锂电池充电电路
充放电保护电路
技术方案
卫星通信电路
L1 R1 5.1K R2 5.1K R3 ND1 TX_OUT GND2 GND3 IC_SCLK IC_SD IC_SRSTIN IC_VCC GND4 RESET GND5 TX1 RX1 TX0 RX0 GND6 RX_IN GND7 C11 RD0538 VCC GND16 EN GND15 VCC_PA3 VCC_PA2 VCC_PA1 GND14 GND13 GND12 GPIO1 GPIO0 1PPS GND11 GND10 GPIO2 GND9 GND8
R8 1.25K USB_VCC GND P1 1 2 BAT BAT_GND VBAT+
VBAT+
R10 1K
R11 100 C7 0.1uF
4 5 6
BAT_GND
TD VDD GND DW01
OC CSI OD
3 2 1
4 5 6
G2
S2
3 2 1
GND
C5 1uF
D1/D2 D1/D2 G1 8205A S1
VBattery R6 10K Q1
L3 1.8uH U3
9
SW
11
VIN VCC EN
SW BOOT VOUT
C26 D3 10uF
R25 100
Beidou_EN
R8 4.7K
C10 22uF
C11 0.1uF
C13 2.2uF
2 7
C12 0.1uF
10 6
C25
C14 C15 C16 C17 1uF 22uF 22uF 22uF
课题背景
研究机构及型号
加拿大Xeostech公 司XMi-7500
已有研究
实物图
指标
铱星9603收发器；6节AA电池、工作大于96天(间隔90 秒发送数据)、休眠电流500uA、平均传输电流 50mA(30秒)； 工作温度：-40至+60摄氏度，最大耐压7500m。
加拿大MetOcean 公司IR-7300 中北大学电子测试 技术重点实验室 Iridium9523信标 机
课题背景
存在问题
主流信标产品在用户侧的数据呈现系统不够完善 使用不够方便。 信息呈现方式不够友好。 国内基于卫星通信与定位技术的信标系统的核心技 术依赖于国外发达国家 技术垄断，使用资费高。 容易发生信息泄露事件，危及国家安全。
系统方案
北斗卫星
甲板系统
工作原理
陆上接收单元
技术指标
● 系统使用北斗系统通信、定位 ● 系统定位精度≤3m ● 耐压仓体要能够工作深度≥6000m ● 水下信标机持续工作时间≥7天，电池容量为14500mAh ● 甲板接收机持续工作时间≥20小时，电池容量为5200mAh
技术方案
硬件框架
TFT液晶屏
传感器及配置接 口
UART
UART
GPS/北斗 双星定位
技术方案
-handler: BDS * -_reset: DigitalOut -_en: DigitalOut -on_state: bool -gps_buffer: char * -bds_info: BDS_Info *
BDS类
开始
BDS
N
Byte == ‘$’
Y N
Byte写入缓冲区