如何設計基于FPGA的虛擬現(xiàn)實定位系統(tǒng)？

3.2 ADXL345數(shù)據(jù)采集模塊設計

ADXL345在虛擬場景系統(tǒng)中用于測量傾斜角，它的時鐘驅(qū)動也是一系列的I2 C驅(qū)動時鐘周期.本模塊的設計也是針對于ADXL345的時鐘驅(qū)動和對應的數(shù)據(jù)讀取所進行的.傾斜角的寄存器內(nèi)容的獲取是整個模塊的主要內(nèi)容.

在實際的場景系統(tǒng)中主要用到了X、Y、Z 三個方向上的偏移寄存器，用于測量中修正原始位置的測量誤差.對于數(shù)據(jù)采集速率則是由寄存器OX2C即寄存器BW_RATE的CH0-CH3所控制.對于 三維重力加速度傳感器而言，主要的初始化也是通過常見的I2 C總線與FPGA 進行通信，在數(shù)據(jù)獲取方面集中在X、Y、Z 三個重力方向上的寄存器數(shù)據(jù).其時序圖如圖5 所示，代碼編寫過程中與HMC5883L共用總線同時都受FPGA的控制，屬于系統(tǒng)控制的從端.同樣的，三維重力加速度傳感器也需要根據(jù)測量需求去輸入初 始化寄存器的配置.然后對需要讀取的寄存器數(shù)據(jù)位進行總線讀取，并存入到配置好的8bit寄存器保存好打包傳往上位機進行數(shù)據(jù)分析.(點擊可查看大圖)

3.3 場景數(shù)據(jù)分析

在地磁的測量過程中需要對數(shù)據(jù)進行必要分析才能得到對應的方位角度.

由HMC5883L 和ADX345傳感器我們可以得到地磁場在空間三個軸上的分量磁場大小分別為Hx、Hy、Hz以及加速度傳感器測量俯仰角φ 和橫滾角θ.

式中Ax、Ay、Az是重力加速度傳感器三個方向上測量得到的加速度值.在特定的公式計算下可以大致得到目前物體所處的順時針方位角a為

以上是初步估計出來得到方位角參數(shù)，計算中不可忽略的還有HMC5800L還受到外部磁性干擾，其中較為突出的是硬磁效應和軟磁效應[8~9]一般而言 對于硬磁效應，我們采取的方法是將物體至于場景中旋轉(zhuǎn)360°，然后經(jīng)過多次的采樣得到X、Y、Z 坐標的最大值Xmax、Ymax、Zmax和最小值Xmin、Ymin、Zmin然后對于硬磁效應來說就是偏移量為

硬磁效應只需要使用測試的數(shù)據(jù)值加上off 的偏移值便可，而對于軟磁效應，補償?shù)姆椒ū容^復雜，一般可以使用公式進行適當?shù)墓浪?，項目中初步使用?12)進行補償.其中Xr為真實的無干擾的坐標 值，a為其干擾系數(shù)，一般軟磁干擾就需要大量的數(shù)據(jù)去得到a 的值.一般情況下可以采取特定的角度進行數(shù)據(jù)采樣，然后根據(jù)數(shù)據(jù)的

實際值Xr和對應無干擾的值Xc進行運算，求出a的這個系數(shù)的值便可.

3.4 以太網(wǎng)通訊模塊設計

LAN8700是SMSC公司的一款以太網(wǎng)物理層芯片.

LAN8700由編碼器/解碼器.擾碼器/解擾器.波形整形器.輸出驅(qū)動器.自適應均衡雙絞線接收器.時鐘數(shù)據(jù)恢復功能模塊組成.

FPGA模塊編程中定義了UDP_User_int模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)打包的詳細過程，另外MAC的物理層通信由MAC_top模塊來實現(xiàn)，包括PHY的初始 化.時鐘的控制.發(fā)生數(shù)據(jù)的控制.MII接口的控制.接收數(shù)據(jù)控制，寄存器的控制等，都定義了UDP_TOP頂層模塊來實現(xiàn)FPGA與它們的接口順利傳輸 數(shù)據(jù).以太網(wǎng)驅(qū)動模塊實現(xiàn)的RTL門級結構圖如圖7所示.

其中ip_local和mac_local是本地IP和MAC地址;每組E_RXD和E_TXD都是4個32位數(shù)據(jù)，E_RXD是接收MAC層的數(shù) 據(jù)，E_TXD是發(fā)送給MAC層的數(shù)據(jù);每組send_zb_value都是64個32位數(shù)據(jù)，打包成了UDP包，send_zb_value是發(fā)送至以 太網(wǎng)的UDP包，同時定義了send_en來作為發(fā)送數(shù)據(jù)的使能信號;E_COL和E_CRS分別是沖突檢測和載波偵聽信號，他們的作用是用來控制著 UDP包的正確發(fā)送.

4 結語

設計中使用了HMC5883L芯片對物體的方位角進行測定，使用輔助芯片ADXL345來判定傾斜角和物體翻滾姿態(tài)，使得物體在虛擬場景中的實際情況更為 精準.利用FPGA對數(shù)據(jù)的高速處理能力將采集到的場景定位內(nèi)容迅速分析處理并且通過以太網(wǎng)控制芯片發(fā)往局域網(wǎng)中的上位機中，最終在上位機實現(xiàn)虛擬場景的 變動.整套硬件系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作在研發(fā)的項目之中，工作性能良好.能耗低，精度可達1°以內(nèi)的范圍.