基于FPGA的虛擬現(xiàn)實(shí)定位系統(tǒng)

　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是目前計(jì)算機(jī)信息科學(xué)中的前沿學(xué)科，文中設(shè)計(jì)了一種以FPGA 為核心的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng).利用HMC5883L和ADXL345對(duì)虛擬場(chǎng)景中物體的方位和朝向進(jìn)行確定并通過(guò)以太網(wǎng)給虛擬場(chǎng)景主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù).整個(gè)系統(tǒng)以 FPGA作為主控制器，配以傳感器數(shù)據(jù)采集，內(nèi)部FIFO存儲(chǔ)，以太網(wǎng)高速傳輸，從而把定位系統(tǒng)參數(shù)實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)中，具有傳輸速度快.實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)高精度定位的功能.

　　1 引言

　　虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)是目前計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面活躍的技術(shù)研究領(lǐng)域，是整個(gè)信息科學(xué)領(lǐng)域中的新興技術(shù).它是依據(jù)計(jì)算機(jī)視頻技術(shù)為基礎(chǔ)，將計(jì)算機(jī)圖像處理.計(jì)算機(jī)心理學(xué).人工智能.人機(jī)交互技術(shù).傳感器技術(shù).網(wǎng)絡(luò)以及顯示處理一系列信息技術(shù)分支的最新成果集中在一起.在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，人可以與虛擬世界中的場(chǎng)景和事物進(jìn)行交互，它已經(jīng)滲入到了航空航天.民用軍事.娛樂(lè)游戲.醫(yī)療醫(yī)用以及教育等行業(yè).目前它已經(jīng)是21世紀(jì)發(fā)展過(guò)程中影響人類生活的重要技術(shù)之一.

　　整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)中，在場(chǎng)景中對(duì)物體的定位是關(guān)鍵核心部分.在定位中主要是要獲得物體所處的直角平面坐標(biāo)系中的朝向和位置以及物體與水平面的傾斜角.為此我們使用三維磁阻傳感器和三軸重力加速度來(lái)獲取所必須的數(shù)據(jù).

　　磁阻效應(yīng)傳感器是根據(jù)磁性材料的磁阻效應(yīng)構(gòu)成的.圖1為簡(jiǎn)單的磁阻效應(yīng)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖.由于磁性材料(如坡莫合金)具有各向異性，對(duì)它進(jìn)行磁化時(shí)，其磁化方向?qū)⑷Q于材料的易磁化軸.材料的形狀和磁化磁場(chǎng)的方向.所以在其線性范圍內(nèi)，電橋的輸出電壓與被測(cè)磁場(chǎng)成正比.同時(shí)利用XYZ 三個(gè)方向上的磁通量進(jìn)行三角函數(shù)的轉(zhuǎn)換可知道方位角為X方向上與Y方向上面的反正切值.

　　三軸重力加速度傳感器為多晶硅表面微加工結(jié)構(gòu)，置于晶圓頂部.由于應(yīng)用加速度，多晶硅彈簧懸掛于晶圓表面的結(jié)構(gòu)之上，提供力量阻力.差分電容由獨(dú)立固定板和活動(dòng)質(zhì)量連接板組成，能對(duì)結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)進(jìn)行測(cè)量.加速度使慣性質(zhì)量偏轉(zhuǎn).差分電容失衡，從而傳感器輸出的幅度與加速度成正比.相敏解調(diào)用于確定加速度的幅度和極性.

　　虛擬現(xiàn)實(shí)定位技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展很迅速，主要在醫(yī)療與娛樂(lè)方面取得了成就.國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的技術(shù)主要是以單片機(jī)為核心處理器，在數(shù)據(jù)的處理和傳輸速度上有明顯的不足.本文的虛擬定位系統(tǒng)利用高精度的定位傳感器，FPGA處理和傳輸數(shù)據(jù)能夠高速.實(shí)時(shí)的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理，降低了傳輸壓力，提高了數(shù)據(jù)吞吐量與設(shè)備利用率.現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列FPGA，是現(xiàn)代IC設(shè)計(jì)驗(yàn)證的主流ASIC器件.FPGA設(shè)計(jì)靈活，易于修改，可靠性高，開(kāi)發(fā)周期短，處理速度快，易于實(shí)現(xiàn)高速電路的設(shè)計(jì)，可以方便的對(duì)定位傳感器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的處理和傳輸.

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

　　本文采用了Xilinx公司spartan3系列的 FPGA，ADI公司的ADXL345三軸重力加速度傳感器以及Honeywell公司的HMC5883L三維磁阻傳感器，利用了模塊化的結(jié)構(gòu)分別對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行流水線操作.整個(gè)系統(tǒng)主要包括：FPGA核心處理模塊.硬件電源模塊.場(chǎng)景數(shù)據(jù)處理模塊.以太網(wǎng)通訊模塊.當(dāng)物體的方位角和傾斜角發(fā)生變化的時(shí)候，ADXL345模塊和HMC5883L模塊會(huì)將新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FPGA中的FIFO里，最后通過(guò)以太網(wǎng)以UDP包的方式上傳到上位機(jī)分析處理.系統(tǒng)中的接口電路主要有ADXL345與FPGA的接口.HMC5883L與FPGA的接口.以太網(wǎng)芯片與FPGA 的接口電路.系統(tǒng)上電以后，F(xiàn)PGA發(fā)出的信號(hào)包括兩個(gè)傳感器時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以太網(wǎng)芯片控制信號(hào).FPGA內(nèi)部的信號(hào)包括FIFO控制信號(hào).傳感器信號(hào)傳入的控制信號(hào).系統(tǒng)的工作過(guò)程為：FPGA 對(duì)各傳感器和以太網(wǎng)進(jìn)行正確的驅(qū)動(dòng)后，傳感器開(kāi)始以一定的頻率向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)FPGA接收到一次數(shù)據(jù)后馬上將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FIFO中;同時(shí)FIFO 在相應(yīng)的條件下按照寫(xiě)時(shí)鐘把數(shù)據(jù)一次存儲(chǔ)好，按照時(shí)鐘把原來(lái)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)送給以太網(wǎng)芯片;以太網(wǎng)芯片把這些數(shù)據(jù)封裝成UDP包，通過(guò)以太網(wǎng)總線上傳給上位機(jī);最后，上位機(jī)在收到有效的數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后傳給三維軟件部分使得三維場(chǎng)景中的物體也發(fā)生同樣的方位角和傾斜角的變化，實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)的功能.

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

　　3.1 HMC5883L數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

　　場(chǎng)景數(shù)據(jù)模塊是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，也是整個(gè)電路工作的必不可少的一個(gè)模塊.其中包括了測(cè)量方位角用的HMC5883L磁阻傳感器芯片以及測(cè)量?jī)A斜角 的三軸重力加速度傳感器ADXL345、HMC5883L是一種表面貼裝的高集成模塊，并帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片，應(yīng)用于低成本羅盤(pán)和磁場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域.

　　HMC5883L的時(shí)鐘是一系列的I2 C驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘周期.本模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)在于將三維磁阻傳感器芯片HMC5883L良好的驅(qū)動(dòng)并確定時(shí)序中數(shù)據(jù)的傳輸順序.目前采用FPGA引腳對(duì)相對(duì)應(yīng)的時(shí)序進(jìn)行控制.

　　HMC5883L傳感器固定的時(shí)序中完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集，采集到的數(shù)據(jù)是具有特定格式的數(shù)字量，需要經(jīng)過(guò)一定算法分析和數(shù)據(jù)整理才能送往上位機(jī)進(jìn)行操作. FPGA 與HMC5883L的通信采用了I2 C的通信手段，在代碼編寫(xiě)的過(guò)程中采用了標(biāo)準(zhǔn)速率模式100kHz，在總線規(guī)定中，總線的位格式是一個(gè)8位數(shù)據(jù)/地址傳送和1位應(yīng)答位.如圖3所示的格式 的時(shí)序情況.(點(diǎn)擊可查看大圖)

　　HMC5883L的工作流程：首先要芯片的初始化進(jìn)行數(shù)據(jù)等待，之后使用I2C的傳輸方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制.一個(gè)測(cè)試前的過(guò)程需要對(duì)應(yīng)有的測(cè)量寄存器進(jìn)行對(duì) 應(yīng)的配置.首先發(fā)送配置寄存器A的配置量，為寫(xiě)操作，寄存器指令為默認(rèn)值;第二步發(fā)送配置寄存器B的配置量，同樣也為默認(rèn)值;第三步發(fā)送模式寄存器的配置 量，即發(fā)送數(shù)據(jù)0X00(即連續(xù)測(cè)量模式).此時(shí)配置的寄存器的流程已經(jīng)走完.之后進(jìn)入讀操作模式，此時(shí)根據(jù)時(shí)鐘的采樣速度，循環(huán)對(duì)傳感器內(nèi)部寄存器 03-08進(jìn)行操作，得到X、Y、Z 三個(gè)方向上的數(shù)據(jù)，讀入到代碼設(shè)定的寄存器中.具體操作流程如圖4所示.

　　3.2 ADXL345數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

　　ADXL345在虛擬場(chǎng)景系統(tǒng)中用于測(cè)量?jī)A斜角，它的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)也是一系列的I2 C驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘周期.本模塊的設(shè)計(jì)也是針對(duì)于ADXL345的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)和對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)讀取所進(jìn)行的.傾斜角的寄存器內(nèi)容的獲取是整個(gè)模塊的主要內(nèi)容.

　　在實(shí)際的場(chǎng)景系統(tǒng)中主要用到了X、Y、Z 三個(gè)方向上的偏移寄存器，用于測(cè)量中修正原始位置的測(cè)量誤差.對(duì)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(duì)于 三維重力加速度傳感器而言，主要的初始化也是通過(guò)常見(jiàn)的I2 C總線與FPGA 進(jìn)行通信，在數(shù)據(jù)獲取方面集中在X、Y、Z 三個(gè)重力方向上的寄存器數(shù)據(jù).其時(shí)序圖如圖5 所示，代碼編寫(xiě)過(guò)程中與HMC5883L共用總線同時(shí)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(cè)量需求去輸入初 始化寄存器的配置.然后對(duì)需要讀取的寄存器數(shù)據(jù)位進(jìn)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(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.(點(diǎn)擊可查看大圖)

　　3.3 場(chǎng)景數(shù)據(jù)分析

　　在地磁的測(cè)量過(guò)程中需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要分析才能得到對(duì)應(yīng)的方位角度.

　　由HMC5883L 和ADX345傳感器我們可以得到地磁場(chǎng)在空間三個(gè)軸上的分量磁場(chǎng)大小分別為Hx、Hy、Hz以及加速度傳感器測(cè)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(gè)方向上測(cè)量得到的加速度值.在特定的公式計(jì)算下可以大致得到目前物體所處的順時(shí)針?lè)轿唤莂為

　　以上是初步估計(jì)出來(lái)得到方位角參數(shù)，計(jì)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(yīng)和軟磁效應(yīng)[8~9]一般而言 對(duì)于硬磁效應(yīng)，我們采取的方法是將物體至于場(chǎng)景中旋轉(zhuǎn)360°，然后經(jīng)過(guò)多次的采樣得到X、Y、Z 坐標(biāo)的最大值Xmax、Ymax、Zmax和最小值Xmin、Ymin、Zmin然后對(duì)于硬磁效應(yīng)來(lái)說(shuō)就是偏移量為

　　硬磁效應(yīng)只需要使用測(cè)試的數(shù)據(jù)值加上off 的偏移值便可，而對(duì)于軟磁效應(yīng)，補(bǔ)償?shù)姆椒ū容^復(fù)雜，一般可以使用公式進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓浪?，?xiàng)目中初步使用式(12)進(jìn)行補(bǔ)償.其中Xr為真實(shí)的無(wú)干擾的坐標(biāo) 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(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，然后根據(jù)數(shù)據(jù)的

　　實(shí)際值Xr和對(duì)應(yīng)無(wú)干擾的值Xc進(jìn)行運(yùn)算，求出a的這個(gè)系數(shù)的值便可.

　　3.4 以太網(wǎng)通訊模塊設(shè)計(jì)

　　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(dòng)器.自適應(yīng)均衡雙絞線接收器.時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)功能模塊組成.

　　FPGA模塊編程中定義了UDP_User_int模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)打包的詳細(xì)過(guò)程，另外MAC的物理層通信由MAC_top模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括PHY的初始 化.時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)FPGA與它們的接口順利傳輸 數(shù)據(jù).以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)的RTL門(mén)級(jí)結(jié)構(gòu)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(gè)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(gè)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(shí)定義了send_en來(lái)作為發(fā)送數(shù)據(jù)的使能信號(hào);E_COL和E_CRS分別是沖突檢測(cè)和載波偵聽(tīng)信號(hào)，他們的作用是用來(lái)控制著 UDP包的正確發(fā)送.

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　設(shè)計(jì)中使用了HMC5883L芯片對(duì)物體的方位角進(jìn)行測(cè)定，使用輔助芯片ADXL345來(lái)判定傾斜角和物體翻滾姿態(tài)，使得物體在虛擬場(chǎng)景中的實(shí)際情況更為 精準(zhǔn).利用FPGA對(duì)數(shù)據(jù)的高速處理能力將采集到的場(chǎng)景定位內(nèi)容迅速分析處理并且通過(guò)以太網(wǎng)控制芯片發(fā)往局域網(wǎng)中的上位機(jī)中，最終在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的 變動(dòng).整套硬件系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作在研發(fā)的項(xiàng)目之中，工作性能良好.能耗低，精度可達(dá)1°以內(nèi)的范圍.