基于FPGA的高精度時差測量系統(tǒng)設計

摘要：在時差定位(TDOA)技術中，高精度的時差測量是準確定位的關鍵。針對這一需要， 提出一種基于FPGA 的高精度時差測量系統(tǒng)的實現方案。本系統(tǒng)的時差測算單元以Altera 公司Cyclone 系列的EP1C3T144 芯片為核心，并提供了以太網接口、USB 接口和RS232 串 口作為輸入輸出接口。該設計方案具有電路設計簡單、成本低、精度高、移植性好等優(yōu)點， 可廣泛應用于定位、導航和測距等領域。

1 引言

隨著無線技術的發(fā)展，無線定位系統(tǒng)的研究不斷深入，無線定位的應用和服務也越來越 深入到生活中的每個細節(jié)，極大地改善和方便了人們的生活質量。在目前的無線定位技術中， 到達時間差定位(TDOA, Time Difference of Arrival)作為一種定位精度高、定位速度快和抗干 擾能力強的定位技術而越來越受到重視。這種定位方式的基礎就是無線電測距，即通過測量 無線電信號到達某物體的傳播時差，進而折算出到達此物體的距離，測距的實質正是測量時 差。由于通信設備逐步向數字化、智能化方向發(fā)展，本文充分利用了低端的FPGA 器件(Field Programmable Gate Array)的靈活性和快速性，實現提取通過不同路徑的同一信號時間差。

2 總體方案設計

圖 1 為總體方案設計圖?；窘邮諜C把解擴解調后的基帶信號通過輸入接口進入時差測 算單元，運算得到的結果通過輸出接口連接到無線傳輸設備。為了適應各種不同接口的接收 機和無線傳輸設備，本系統(tǒng)設計了3 種常用的接口以備選擇。

由于m 序列具有優(yōu)良的周期自相關特性，因此經常利用它作為無線定位的測量信號[1]。 m 序列碼長越長，抗多徑干擾能力越強；碼速率越高，定位精度越高。時差測量單元中事先 存儲了和發(fā)射端完全相同的m 序列，與接收到的m 序列進行比對。發(fā)射時刻與接收時序的 關系如圖2 所示，相鄰傳播時長之差即為所測時差，目前該系統(tǒng)只能測算出不同路徑的傳播 時長，而差值則需要把每個傳播時長傳回到數據處理中心后通過軟件計算得到。

本系統(tǒng)采用Altera 公司Cyclone 系列的EP1C3T144 芯片。它是一款基于1.5V(內核)， 3.3V(I/O)，0.13um 和SRAM 的FPGA，容量為2910 個LE，擁有13 個M4K RAM(4K 位+ 奇偶校驗)塊。除此之外，還提供了全功能的鎖相環(huán)(PLL)，用于板級的時鐘網絡管理和專用 I/O 口，這些接口用于連接業(yè)界標準的外部存儲器器件，具有成本低和方便的特點。

3 時差測算單元設計

3.1 設計思想

FPGA 作為時差測算單元的核心器件，主要完成相關匹配、并/串轉換、接口控制等功 能，經過VHDL 編程生成的內部結構和各個模塊綜合以后的整體結構如圖3 所示。

其中，hxg 模塊通過互相關的方法測算出不同路徑的傳播時長，采用8 位并行輸出； serial_converter 模塊把hxg 模塊的結果轉換成串行輸出；load 模塊作為serial_converter 模塊 的使能輸入，當load 有效時并行數據被存儲到移位寄存器中。程序流程圖如圖4 所示。

3.2 實現結果

以 5 級的m 序列為例，反饋系數為45(八進制)，初始狀態(tài)為10000，得到31 位的m 序 列為1000010010110011111000110111010。碼速率為1Mbps，固定發(fā)送間隔為100000 碼元， 即100ms，總共發(fā)射4 組m 序列，因此參考圖2 可知能夠測得3 個傳播時長。下圖中的并行輸出結果均用十進制顯示。整體結果和局部放大結果如圖5 所示，仿真結果表明并行結果 與串行結果完全一致。

4 主要接口設計

4.1 RS232 串口

由于本系統(tǒng)有兩個串口，所以采用MAX3232 芯片可以簡化電路[2-3]。MAX3232 是 MAXIM 公司的一種RS232 接口芯片，使用單一電源電壓VCC，電壓值從+3.0~+5.5V 都能 正常工作，額定電流為300μA，完成TTL 與RS232 兩種電平之間的轉換。它有兩路收發(fā)器， 數據傳輸速率為250Kbps。原理圖如圖6 所示。

4.2 USB 接口

原理圖如圖7 所示，采用CY7C68013A 作為USB 接口芯片，此芯片具有以下優(yōu)點：

1) 高性價比，通用USB2.0 接口芯片中全世界市場占有量最大，國外市場占用率最大。

2) 最大4K USB 端點緩沖區(qū)，可設置為雙緩沖，三緩沖或四緩沖，全面支持USB2.0 高 速傳輸。

3) 內嵌增強型8051 內核，沿用傳統(tǒng)8051 開發(fā)方法，固件開發(fā)工具為KEIL C51。

4) 時鐘高達48MHz，單指令周期為83.3ns。

5) 雙串口USART0 和USART1，支持230K 波特率。

6) 400K 高速I2C 接口。

7) 支持雙數據指針。

8) 8KB 片內RAM，可存放數據和代碼。

9) 五個復用數據端口PORTA，PORTB，PORTC，PORTD，PORTE。

10) 五個外部中斷源。

11) 支持在線仿真和在線下載。

12) 端點緩沖區(qū)“FIFO”支持GPIF 和SLAVE FIFO 傳輸方式，實現端點FIFO 和外設“無 縫連接”，支持8 位/16 位總線。

13) 擴展接口IO CY7C68013A 是CY7C68013 的升級版本，完全兼容，CY7C68013 發(fā) 熱量較大，CY7C68013A 為低功耗型，大容量16KB 片內RAM。

4.3 RJ45 接口

以太網的物理層有多種標準，這里使用10Base-T 標準，即數據通信速率為10Mb/s，傳 輸介質為雙絞線。下表列出了目前市面上幾種可供選擇的以太網控制器及其主要特性。本系 統(tǒng)選擇性價比較高且符合設計要求的RTL8019AS 作為以太網控制器[5]，原理圖如圖8 所示。

RTL8019AS 是臺灣Realtek 公司生產的10Mbps 以太網控制器，兼容Ethernet II 與IEEE 802.3；支持8 位或16 位數據總線；內置的16K 字節(jié)SRAM 用于收發(fā)緩沖；全雙工，收發(fā) 可同時達到10Mbps；支持10Base-5、10Base-2、10Base-T，并能自動檢測連接的介質，由 于其優(yōu)良的性能、低廉的價格，使其在市場上10Mbps 網卡中占有相當的比例。

5 結束語

本系統(tǒng)充分利用了擴頻測距原理和FPGA 的實時處理特性，具有定位精度高、擴展性強、 兼容性好等優(yōu)點，通過對時差的測量，可以確定物體的運動軌跡，進而實現精確定位，同時 為飛行體的軌道測量提供基礎技術，在高速落體目標測量方面具有很好的應用前景。