葉先萬 蘭潤琦 劉聰鑫 吳松和 何仲濤

摘 要：針對目前市場上出現(xiàn)的大部分新型智能定位設(shè)備技術(shù)復(fù)雜、工作效率低、定位精準(zhǔn)度不高等問題，文章自主設(shè)計出了一種全新的定位裝置。該裝置使用FPGA+ARM作為主控方式，可以實現(xiàn)快速計算和有效控制，采用CNSS定位系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)實時精準(zhǔn)定位，具有很好的社會價值。

關(guān)鍵詞：快速計算；有效控制；CNSS定位

0 引言

目前市場出現(xiàn)的大部分定位產(chǎn)品如定位手表、定位手環(huán)等大多采用LBS基站或GPS定位技術(shù)，將采集的裝置信息傳遞給主控板，再由無線通信將位置信息發(fā)送到監(jiān)護人從而實現(xiàn)遠程實施監(jiān)護。采用的主控芯片大多為簡單的嵌入式控制芯片，在定位信息采集和位置實時更新方面存在延遲現(xiàn)象，可能造成一些社會問題?；诖耍恼略诙ㄎ豢刂品矫嬷匦录右愿脑旌驮O(shè)計，采用ARM+FPGA的組合控制模式，能夠?qū)崿F(xiàn)實時快速精準(zhǔn)定位，可以很好地滿足人們社會生活需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計電路包括電流濾波放大模塊、AD模塊、FPGA和ARM組成的主控模塊、無線充電接收模塊、電源控制模塊和外接GPS和無線基站的天線及串口下載調(diào)試接口。外接GPS天線將用戶的實時位置信息傳遞給控制主板，位置信號經(jīng)過濾波放大和AD轉(zhuǎn)換傳遞到FPGA芯片，其中自定義內(nèi)部算法快速將位置信息通過HPS傳遞給ARM控制板，ARM控制板會做出相應(yīng)信號輸出，再由I2C通過手機基站及時發(fā)送至監(jiān)控人手中，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)快速定位?？傮w設(shè)計框圖如圖l所示。

2 模塊工作原理

2.1 GPS定位原理

該設(shè)計采用的GPS定位方式為AGPS定位[1]。GPS定位原理為用光速通過衛(wèi)星定位，GPRS定位原理相同但將衛(wèi)星改為了基站。AGPS定位是結(jié)合GPS和GPRS定位的優(yōu)點，由GPS定位為主，GPRS定位為輔而成，先通過GPRS定位一個范圍，再由GPS精確定位，定位精度誤差在50米之內(nèi)，通過定位模塊可以精確捕獲使用者位置信息。

2.2濾波放大原理

由于通過GPS接受到的位置信號噪聲太大，有用位置信號必須經(jīng)過濾波放大后才能被提取出來，一般做法是采用兩次連續(xù)的濾波放大。該模塊由濾波電路和放大電路構(gòu)成，濾波電路主要通過濾波電容濾去雜波提取有用信號，放大電路可以采用差分放大電路。

2.3 AD采樣原理

AD模塊將電路的模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量，即將提取出的位置模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率，然后用計數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。該模塊設(shè)計可采用24位50MHz的精密AD，能夠準(zhǔn)確將位置信號送給主控芯片作為信號輸入。

2.4 FPGA+ARM原理[2]

本部分為整個控制板的核心，位置信號送給FPGA作為輸入，其中內(nèi)部定義算法和其高速的運算能力可以把信號及時傳遞給ARM控制芯片，ARM再將反饋信號輸出給下一級發(fā)送，F(xiàn)PGA和ARM間通過HPS進行連接通信。本部分FPGA芯片采用LCMX02-4000HC系列，邏輯資源豐富，運算能力強，集成編程器通過USB串口即可下載調(diào)試，ARM芯片采用STM32L073ZT低功耗芯片，內(nèi)部集成了ARMCotex-MO、固定外設(shè)和存儲系統(tǒng)，可以有效地對輸入信息做出設(shè)定應(yīng)答，通過外接串口下載調(diào)試。采用FPGA+ARM設(shè)計使得定位信息處理迅速并反應(yīng)及時，從而實現(xiàn)了精準(zhǔn)快速定位。

2.5信號發(fā)送原理

定位信號作為外部輸入，經(jīng)ARM核進行處理后得到消息信號，消息信號經(jīng)過I2C由GPRS無線發(fā)射到監(jiān)控人手里，GPRS流量由SIM卡支持提供。本部分設(shè)計中，可以人為設(shè)定程序?qū)Σ煌亩ㄎ恍盘栕龀鱿鄳?yīng)的判斷，將判斷的消息信號及時反饋給監(jiān)護人手里，這樣就可以實現(xiàn)可控式智能監(jiān)控。

2.6無線充電原理

本部分采用磁共振式無線充電[3]，其工作原理為利用電磁波感應(yīng)原理進行充電的設(shè)備，原理類似于變壓器。在發(fā)送和接收端各有一個線圈，發(fā)送端線圈連接交流電源產(chǎn)生變化磁場，接收端線圈感應(yīng)發(fā)送端的電磁信號從而產(chǎn)生電流給電池充電。

2.7電源控制原理

本部分采用體積小、續(xù)航能力強的鋰電池作為整個電路的供電源，保證各個模塊正常有序工作。控制電路與接收線圈相連，可以根據(jù)電池電量控制充電效果，即本部分模塊還可以設(shè)計成由電池電量及充電時電池溫度情況控制充電速度，實現(xiàn)快充和慢充等不同效果。

3 設(shè)計實用功能及意義

本設(shè)計在技術(shù)上涵蓋了無線通信、電磁控制、ARM主控、FPGA設(shè)計等傳統(tǒng)技術(shù)。設(shè)計的具體實用功能有如下幾個方面：

3.1實現(xiàn)精準(zhǔn)智能可控定位

將GPS接收到的實時位置信息通過FPGA快速運算分析，位置信號傳送給ARM核進行處理，將信息及時反饋給監(jiān)控者。在ARM控制核外留USB程序下載接口，用戶可以根據(jù)自己的需求進行相關(guān)設(shè)置，可以實現(xiàn)報警提醒、自動呼叫等功能。

3.2實現(xiàn)無線充電供電

利用磁共振式無線充電使充電效率和充電有效距離大大提高，可以實現(xiàn)在固定裝置外不接觸式充電。無接觸式充電，既安全便捷又可以讓電池充電時無需拆封，無需特意預(yù)留外部充電接口，即可以將裝置鑲嵌于其他設(shè)備中從而無需考慮充電問題。

3.3實現(xiàn)微處理模塊化結(jié)構(gòu)

設(shè)計電路簡單易行，可以將電路集成于小型PCB板上，將實物做成超小模塊。FPGA和ARM控制芯片預(yù)留有接口，可以根據(jù)特定功能增加外設(shè)，可操作性強。設(shè)計電路各模塊間由總線連接，功能相對獨立，在電路硬件出現(xiàn)故障時可以很快修復(fù)。

4 設(shè)計創(chuàng)新點

本作品的設(shè)計創(chuàng)新點歸納為以下三個方面：

4.1超低功耗

本作品采用32位Cortex-MO處理器，其核心架構(gòu)為ARMv6M，其運算能力可以達到0.9 DMIPS/MHz，而與其他的16位與8位處理器相比，由于Cortex-MO的運算性能大幅提高，所以在同樣任務(wù)的執(zhí)行上Cortex-MO只需較低的運行速度，而大幅降低了整體的動態(tài)功耗。

4.2 QI無線充電[4]

采用磁共振式無線充電，通過阻抗匹配使震蕩源發(fā)射電磁信號與接收震蕩信號產(chǎn)生共振，從而將能量由發(fā)射端轉(zhuǎn)移到接收端。這種方式的充電距離為數(shù)十厘米到數(shù)米間，可有效的進行充電傳輸。

4.3采用ARM+FPGA主控

產(chǎn)品的軟件操作系統(tǒng)基于FPGA+ARM平臺，ARM的FSMC總線接口將FPGA與ARM連接，即將FPGA作為ARM的一個外設(shè)，通過寄存器方式加以配置。采用ARM+FPGA主控可以充分利用FPGA的快速運算性能和ARM的智能控制，二者相結(jié)合可以使位置信息的采集和處理速度變得更快、效率更高。

5 結(jié)語

本設(shè)計在傳統(tǒng)定位裝置上加以改進和創(chuàng)新，通過改變主控芯片從原理上提高裝置精準(zhǔn)定位性能。設(shè)計電路在功能上效果多樣且操作性強，主控板留有外設(shè)和下載接口，可以根據(jù)具體需求進行智能設(shè)計；在性能上，采用ARM+FPGA作為主控，提高了定位性能，采用無線充電方式進行供電，增強了可靠性；在結(jié)構(gòu)上簡單可行且易于微處理，可以做到手表大小，能夠應(yīng)用于智能穿戴等領(lǐng)域，具有很好的社會前景！

參考文獻：

[1]吳志華.基于GPRS的AGPS客戶端的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國航空學(xué)會控制與應(yīng)用第十二屆學(xué)術(shù)年會，2007.

[2]丁小明.基于FPGA+ARM的GPS/BDⅡ接收機設(shè)計與實現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2015.

[3]竇延軍.一種磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)的設(shè)計[D].電子科技大學(xué)，2013.

[4]陳艷，陳新.基于QI標(biāo)準(zhǔn)線圈的磁諧振無線充電系統(tǒng)仿真研究[J].電腦知識與技術(shù)，2015，（10）：207-209.