如何設(shè)計基于FPGA的虛擬現(xiàn)實定位系統(tǒng)？

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是目前計算機信息科學中的前沿學科，文中設(shè)計了一種以FPGA 為核心的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng).利用HMC5883L和ADXL345對虛擬場景中物體的方位和朝向進行確定并通過以太網(wǎng)給虛擬場景主機發(fā)送數(shù)據(jù).整個系統(tǒng)以 FPGA作為主控制器，配以傳感器數(shù)據(jù)采集，內(nèi)部FIFO存儲，以太網(wǎng)高速傳輸，從而把定位系統(tǒng)參數(shù)實時傳送到上位機中，具有傳輸速度快.實時性等優(yōu)點，實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實高精度定位的功能.

1 引言

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)是目前計算機應(yīng)用方面活躍的技術(shù)研究領(lǐng)域，是整個信息科學領(lǐng)域中的新興技術(shù).它是依據(jù)計算機視頻技術(shù)為基礎(chǔ)，將計算機圖像處理.計算機心理學.人工智能.人機交互技術(shù).傳感器技術(shù).網(wǎng)絡(luò)以及顯示處理一系列信息技術(shù)分支的最新成果集中在一起.在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，人可以與虛擬世界中的場景和事物進行交互，它已經(jīng)滲入到了航空航天.民用軍事.娛樂游戲.醫(yī)療醫(yī)用以及教育等行業(yè).目前它已經(jīng)是21世紀發(fā)展過程中影響人類生活的重要技術(shù)之一.

整個虛擬現(xiàn)實中，在場景中對物體的定位是關(guān)鍵核心部分.在定位中主要是要獲得物體所處的直角平面坐標系中的朝向和位置以及物體與水平面的傾斜角.為此我們使用三維磁阻傳感器和三軸重力加速度來獲取所必須的數(shù)據(jù).

磁阻效應(yīng)傳感器是根據(jù)磁性材料的磁阻效應(yīng)構(gòu)成的.圖1為簡單的磁阻效應(yīng)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖.由于磁性材料(如坡莫合金)具有各向異性，對它進行磁化時，其磁化方向?qū)⑷Q于材料的易磁化軸.材料的形狀和磁化磁場的方向.所以在其線性范圍內(nèi)，電橋的輸出電壓與被測磁場成正比.同時利用XYZ 三個方向上的磁通量進行三角函數(shù)的轉(zhuǎn)換可知道方位角為X方向上與Y方向上面的反正切值.

三軸重力加速度傳感器為多晶硅表面微加工結(jié)構(gòu)，置于晶圓頂部.由于應(yīng)用加速度，多晶硅彈簧懸掛于晶圓表面的結(jié)構(gòu)之上，提供力量阻力.差分電容由獨立固定板和活動質(zhì)量連接板組成，能對結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)進行測量.加速度使慣性質(zhì)量偏轉(zhuǎn).差分電容失衡，從而傳感器輸出的幅度與加速度成正比.相敏解調(diào)用于確定加速度的幅度和極性.

虛擬現(xiàn)實定位技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展很迅速，主要在醫(yī)療與娛樂方面取得了成就.國內(nèi)傳統(tǒng)的技術(shù)主要是以單片機為核心處理器，在數(shù)據(jù)的處理和傳輸速度上有明顯的不足.本文的虛擬定位系統(tǒng)利用高精度的定位傳感器，FPGA處理和傳輸數(shù)據(jù)能夠高速.實時的對數(shù)據(jù)進行采集與處理，降低了傳輸壓力，提高了數(shù)據(jù)吞吐量與設(shè)備利用率.現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA，是現(xiàn)代IC設(shè)計驗證的主流ASIC器件.FPGA設(shè)計靈活，易于修改，可靠性高，開發(fā)周期短，處理速度快，易于實現(xiàn)高速電路的設(shè)計，可以方便的對定位傳感器進行驅(qū)動，并對其數(shù)據(jù)進行快速的處理和傳輸.

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)

本文采用了Xilinx公司spartan3系列的 FPGA，ADI公司的ADXL345三軸重力加速度傳感器以及Honeywell公司的HMC5883L三維磁阻傳感器，利用了模塊化的結(jié)構(gòu)分別對每個單元進行流水線操作.整個系統(tǒng)主要包括：FPGA核心處理模塊.硬件電源模塊.場景數(shù)據(jù)處理模塊.以太網(wǎng)通訊模塊.當物體的方位角和傾斜角發(fā)生變化的時候，ADXL345模塊和HMC5883L模塊會將新的數(shù)據(jù)存儲到FPGA中的FIFO里，最后通過以太網(wǎng)以UDP包的方式上傳到上位機分析處理.系統(tǒng)中的接口電路主要有ADXL345與FPGA的接口.HMC5883L與FPGA的接口.以太網(wǎng)芯片與FPGA 的接口電路.系統(tǒng)上電以后，F(xiàn)PGA發(fā)出的信號包括兩個傳感器時鐘驅(qū)動信號，以太網(wǎng)芯片控制信號.FPGA內(nèi)部的信號包括FIFO控制信號.傳感器信號傳入的控制信號.系統(tǒng)的工作過程為：FPGA 對各傳感器和以太網(wǎng)進行正確的驅(qū)動后，傳感器開始以一定的頻率向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)，當FPGA接收到一次數(shù)據(jù)后馬上將數(shù)據(jù)存儲在FIFO中;同時FIFO 在相應(yīng)的條件下按照寫時鐘把數(shù)據(jù)一次存儲好，按照時鐘把原來存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送給以太網(wǎng)芯片;以太網(wǎng)芯片把這些數(shù)據(jù)封裝成UDP包，通過以太網(wǎng)總線上傳給上位機;最后，上位機在收到有效的數(shù)據(jù)時，對數(shù)據(jù)進行分析處理，然后傳給三維軟件部分使得三維場景中的物體也發(fā)生同樣的方位角和傾斜角的變化，實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實的功能.

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊化設(shè)計

3.1 HMC5883L數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

場景數(shù)據(jù)模塊是整個測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，也是整個電路工作的必不可少的一個模塊.其中包括了測量方位角用的HMC5883L磁阻傳感器芯片以及測量傾斜角 的三軸重力加速度傳感器ADXL345、HMC5883L是一種表面貼裝的高集成模塊，并帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片，應(yīng)用于低成本羅盤和磁場檢測領(lǐng)域.

HMC5883L的時鐘是一系列的I2 C驅(qū)動時鐘周期.本模塊的設(shè)計目標在于將三維磁阻傳感器芯片HMC5883L良好的驅(qū)動并確定時序中數(shù)據(jù)的傳輸順序.目前采用FPGA引腳對相對應(yīng)的時序進行控制.

HMC5883L傳感器固定的時序中完成對數(shù)據(jù)的采集，采集到的數(shù)據(jù)是具有特定格式的數(shù)字量，需要經(jīng)過一定算法分析和數(shù)據(jù)整理才能送往上位機進行操作. FPGA 與HMC5883L的通信采用了I2 C的通信手段，在代碼編寫的過程中采用了標準速率模式100kHz，在總線規(guī)定中，總線的位格式是一個8位數(shù)據(jù)/地址傳送和1位應(yīng)答位.如圖3所示的格式 的時序情況.(點擊可查看大圖)

HMC5883L的工作流程：首先要芯片的初始化進行數(shù)據(jù)等待，之后使用I2C的傳輸方式對數(shù)據(jù)進行控制.一個測試前的過程需要對應(yīng)有的測量寄存器進行對 應(yīng)的配置.首先發(fā)送配置寄存器A的配置量，為寫操作，寄存器指令為默認值;第二步發(fā)送配置寄存器B的配置量，同樣也為默認值;第三步發(fā)送模式寄存器的配置 量，即發(fā)送數(shù)據(jù)0X00(即連續(xù)測量模式).此時配置的寄存器的流程已經(jīng)走完.之后進入讀操作模式，此時根據(jù)時鐘的采樣速度，循環(huán)對傳感器內(nèi)部寄存器 03-08進行操作，得到X、Y、Z 三個方向上的數(shù)據(jù)，讀入到代碼設(shè)定的寄存器中.具體操作流程如圖4所示.