原创《基于FPGA超声波阵列测量定位系统设计》：这篇阵列论文范文为免费优秀学术论文范文,可用于相关写作参考。
摘 要： 为了实现对移动物体进行定位,提高超声波定位的精度,基于可编程逻辑门列阵（FPGA）,设计一个SoC硬件测量平台,对超声波信源到超声波接收阵列的角度和距离测量实现高精度定位.为提高系统的测量精度,补偿温度对测量结果产生的影响,增加了温度传感器测量环境温度.在程序设计上将TDoA和AoA融合,并结合MUSIC算法,以提高测量的精度.实际实验测量表明,该测量系统运行稳定可靠,测量速度快、精度高,有一定的实用性和推广价值.
关键词： 超声波阵列; FPGA; TDoA; AoA; MUSIC; 测量系统
中图分类号： TN725.6?34; TB559 文献标识码： A 文章编号： 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
距离和角度是确定两个物体相对位置的量,传统的定位方法包括卫星定位、基站定位、RSSI、WiFi定位、UWB定位等.这些民用定位信号可以达到几米到几十米的精度.但是这些测量方式无法完成最后一段高精度测量.卫星定位受云层和建筑遮挡,基站定位多径干扰严重,无法完成最后一段高精度定位.传统超速波定位只测量距离.没有测量角度,导致测量精度低[1?3].
本文基于FPGA硬件平台设计一套超声波阵列测量系统,能够通过蓝牙先接收信源发来的同步信号,并采用TDoA（Time Difference of Arrival ）的方式分别测量出信源到每个阵元的距离,然后结合阵列的溫度补偿出真正的距离,计算AoA（Arrival of Angle）,最后结合MUSIC（Multiple Signal Classification）算法进一步提高波达角的精度[4?7] .
1 超声波定位原理
超声波一般是指频率大于20 kHz的机械振动波.超声波测距可采用传播时间检测法进行,即测量超声波从发射换能器发出经空气传播到接收换能器的传播时间t,将t和其在空气中的传播速度v相乘,就得到超声波此时的传播距离S.由于超声波在空气中的传播速度和温度相关[8?10],则传播距离为：
2 硬件系统设计
硬件系统由接收端和超声波信源发射端组成.发射端由电源、MCU、温度传感器、超声波发送模块、蓝牙测量同步等组成;接收端由电源、FPGA、多路温度传感器、超声波阵列、蓝牙测量同步等组成.具体接收定位系统如图3所示.
2.1 超声波发送系统
由于本文采用的是TDoA声音单程传播时间测距方式,所以采用一对蓝牙4.2模块做无线时间同步.前面分析电磁波传播速度远大于声音在空气中的传播速度,所以可以忽略同步传播的时间,单片机在处理蓝牙同步和发送超声波的时间长度为τ.实际设计要求定位距离小于8 m,在室温为25 ℃时,声音在空气中的传播速度大约是340 m/s.从发送到接收,声音最大渡越时间（单位：s）为：
所以设置发射端以10 Hz的频率发送超声波,供主机进行连续的TDoA距离测量,进而能提高测量速度,防止丢失信源.
2.2 超声波接收测距定位系统
接收端采用LatticeXO2?4000 FPGA作为主处理器,开发工具为Lattice公司的Diamond 3.8,使用该软件为外部时钟、超声波阵列、温度传感器、蓝牙等模块分配管脚.为了方便将处理后的测量结果输出,设计了一条通用SPI串行总线,这样可以将测量结果传到其他的MCU,DSP,FPGA中,供其二次开发.FPGA的内部框架设计如图4所示.为了提高测量精度,通过CLOCK模块将输入的50 MHz时钟倍频到100 MHz.外部处理器可以通过SPI总线访问内部寄存器,见表1.操作CDR（Control Data Reg）控制数据寄存器,可以对超声波接收定位寄存器的工作模块进行设置.当系统开始测量时,每一次测量的结果都会保存到各自的DR（Data Reg）数据寄存器中,而超声波阵列每个阵元的工作状态则保存到SR（Status Reg）状态寄存器中.超声波阵列（Ultrasonic Array）和温度传感器（Temperature Sensor）则将处理的结果发送到角度距离测量单元（Angle Distance Unit）,通过优化的TDoA和MUSIC算法计算出波达,并将结果保存到各自的Data寄存器中.其他外设可以通过SPI总线连接到SPI BusBridge,读写相应的寄存器,控制片上系统实现测距和测量角度功能.
阵列论文参考资料：
结论：基于FPGA超声波阵列测量定位系统设计为大学硕士与本科阵列毕业论文开题报告范文和相关优秀学术职称论文参考文献资料下载，关于免费教你怎么写磁盘阵列和ssd哪个快方面论文范文。
