基于FPGA的超聲波陣列測量定位系統設計

陳志彬 宋金堂 張娜 喬怡豪

摘 要： 為了實現對移動物體進行定位，提高超聲波定位的精度，基于可編程邏輯門列陣（FPGA），設計一個SoC硬件測量平臺，對超聲波信源到超聲波接收陣列的角度和距離測量實現高精度定位。為提高系統的測量精度，補償溫度對測量結果產生的影響，增加了溫度傳感器測量環境溫度。在程序設計上將TDoA與AoA融合，并結合MUSIC算法，以提高測量的精度。實際實驗測量表明，該測量系統運行穩定可靠，測量速度快、精度高，有一定的實用性和推廣價值。

關鍵詞： 超聲波陣列; FPGA; TDoA; AoA; MUSIC; 測量系統

中圖分類號： TN725.6?34; TB559 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）12?0028?04

Abstract： In order to realize the positioning of the moving object and improve the accuracy of ultrasonic positioning， a system on chip （SoC） hardware measurement platform is designed based on FPGA， on which high?precision positioning for the measurement of angle and distance from ultrasonic source to ultrasonic receiving array can be realized. To improve the measurement accuracy of the system and compensate the impact of temperature on measurement results， a temperature sensor is added to measure environment temperature. In the program design， time difference of arrival （TDoA） and arrival of angle （AoA） are fused， and combining with the multiple signal classification （MUSIC） algorithm， the measurement accuracy is improved. The actual experimental measurement results show that the measurement system operates stably and reliably， and has high measurement speed and accuracy， which has a certain practicality and promotion value.

Keywords： ultrasonic array; FPGA; TDoA; AoA; MUSIC; measurement system

0 引 言

距離和角度是確定兩個物體相對位置的量，傳統的定位方法包括衛星定位、基站定位、RSSI、WiFi定位、UWB定位等。這些民用定位信號可以達到幾米到幾十米的精度。但是這些測量方式無法完成最后一段高精度測量。衛星定位受云層和建筑遮擋，基站定位多徑干擾嚴重，無法完成最后一段高精度定位。傳統超速波定位只測量距離。沒有測量角度，導致測量精度低[1?3]。

本文基于FPGA硬件平臺設計一套超聲波陣列測量系統，能夠通過藍牙先接收信源發來的同步信號，并采用TDoA（Time Difference of Arrival ）的方式分別測量出信源到每個陣元的距離，然后結合陣列的溫度補償出真正的距離，計算AoA（Arrival of Angle），最后結合MUSIC（Multiple Signal Classification）算法進一步提高波達角的精度[4?7] 。

1 超聲波定位原理

超聲波一般是指頻率大于20 kHz的機械振動波。超聲波測距可采用傳播時間檢測法進行，即測量超聲波從發射換能器發出經空氣傳播到接收換能器的傳播時間t，將t與其在空氣中的傳播速度v相乘，就得到超聲波此時的傳播距離S。由于超聲波在空氣中的傳播速度與溫度相關[8?10]，則傳播距離為：

2 硬件系統設計

硬件系統由接收端和超聲波信源發射端組成。發射端由電源、MCU、溫度傳感器、超聲波發送模塊、藍牙測量同步等組成;接收端由電源、FPGA、多路溫度傳感器、超聲波陣列、藍牙測量同步等組成。具體接收定位系統如圖3所示。

2.1 超聲波發送系統

由于本文采用的是TDoA聲音單程傳播時間測距方式，所以采用一對藍牙4.2模塊做無線時間同步。前面分析電磁波傳播速度遠大于聲音在空氣中的傳播速度，所以可以忽略同步傳播的時間，單片機在處理藍牙同步和發送超聲波的時間長度為τ。實際設計要求定位距離小于8 m，在室溫為25 ℃時，聲音在空氣中的傳播速度大約是340 m/s。從發送到接收，聲音最大渡越時間（單位：s）為：

所以設置發射端以10 Hz的頻率發送超聲波，供主機進行連續的TDoA距離測量，進而能提高測量速度，防止丟失信源。

2.2 超聲波接收測距定位系統

接收端采用LatticeXO2?4000 FPGA作為主處理器，開發工具為Lattice公司的Diamond 3.8，使用該軟件為外部時鐘、超聲波陣列、溫度傳感器、藍牙等模塊分配管腳。為了方便將處理后的測量結果輸出，設計了一條通用SPI串行總線，這樣可以將測量結果傳到其他的MCU，DSP，FPGA中，供其二次開發。FPGA的內部框架設計如圖4所示。為了提高測量精度，通過CLOCK模塊將輸入的50 MHz時鐘倍頻到100 MHz。外部處理器可以通過SPI總線訪問內部寄存器，見表1。操作CDR（Control Data Reg）控制數據寄存器，可以對超聲波接收定位寄存器的工作模塊進行設置。當系統開始測量時，每一次測量的結果都會保存到各自的DR（Data Reg）數據寄存器中，而超聲波陣列每個陣元的工作狀態則保存到SR（Status Reg）狀態寄存器中。超聲波陣列（Ultrasonic Array）和溫度傳感器（Temperature Sensor）則將處理的結果發送到角度距離測量單元（Angle Distance Unit），通過優化的TDoA與MUSIC算法計算出波達，并將結果保存到各自的Data寄存器中。其他外設可以通過SPI總線連接到SPI BusBridge，讀寫相應的寄存器，控制片上系統實現測距和測量角度功能。

2.3 超聲波接收測距定位系統FPGA內部寄存器設計

超聲波接收測距定位系統FPGA內部寄存器設計如表1所示。

3 系統程序設計

本文設計的硬件平臺是Lattice XO2?4000 FPGA，使用Verilog語言設計，程序流程圖如圖5所示。

首先上電初始化，包括時鐘倍頻、各寄存器初始化默認值等;然后并行處理超聲波檢測和溫度檢測。超聲波陣列在接收到觸發脈沖時才會進入接收模式，觸發脈沖有兩種方式觸發，一種通過SPI訪問控制寄存器強制觸發，另一種是接收到信源通過藍牙發來的同步信號。超聲波陣列接收到觸發脈沖后，進入接收模式，接收成功或者失敗，都會將結果更新到狀態寄存器和數據寄存器。同理將采集到的溫度值也保存到對應的溫度寄存器中，以修正超聲波的傳播速度結果。TDoA/MUSIC將寄存器的結果提取出來，計算出波達角度和距離，并保存到SPI數據寄存器中，更新SPI狀態寄存器，通知其他設備讀取結果。

4 實驗測試結果

為了進一步驗證陣元目數和測量算法對超聲波陣列定位測量精度的影響，選取8 m×8 m矩形區域作為實驗場地。按照上述的設計方法搭建實驗平臺。陣元間距為5 mm，藍牙選擇NRF2832并燒錄串口透傳固件，溫度傳感器為DS18B20。實驗驗證超聲陣列在區域內隨機選取一點作為陣列接收點，在選擇另外一點作為信源發射點，測出相對接收陣列的角度與距離。表2～表4列出了測量結果。

5 結 語

本文提出一種以FPGA為核心的超聲波陣列測量定位系統。該系統采用先進的MUSIC和TDoA算法，設計SOC硬件平臺，使用藍牙4.2同步發送和接收。而且為了提高精度，采用超聲波陣列接收處理信源發來的信號，由FPGA計算出信源相對陣列的距離和角度。實驗表明，該系統具有測量精度高、速度快、性價比高等優點，因此具有一定的實用價值和推廣價值。

注：本文通訊作者為陳志彬。

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