一種基于led照明的室內定位導航接收系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種基于LED照明的室內定位導航接收系統，包括光電探測器、信號調理模塊、AD采樣模塊、時序控制單元、RAM緩存單元、碼元判決模塊、微處理器和SPI接口，碼元判決模塊包括電性連接的電壓比較器和序列檢測器；碼元判決模塊判決此時接收到的碼元為1或為0，序列檢測器定位幀頭，在得到的功率數據中判別出LED燈的位置編碼信息，該定位接收系統可以根據輸入光電流信號通過處理和計算得出接收機的實時位置信息，并將定位信息傳送給外部設備，本發明可應用于所有的采用接收信號強度比算法RSS的LED室內定位導航系統當中，大大提高LED室內定位系統的集成度和定位精度，有利于實現LED室內定位技術的大規模推廣應用。
【專利說明】
一種基于LED照明的室內定位導航接收系統
技術領域
[0001] 本發明涉及一種室內定位導航接收系統，屬于定位導航技術領域。
【背景技術】
[0002] 當今社會，人們對于位置服務的需求已經越來越強烈，雖然GPS技術越來越成熟， 應用范圍也越來越廣泛，但是在建筑物內部和人口密集的大城市，GPS系統能夠接收到的信 號非常微弱，無法實現定位功能。為了能夠填補GPS定位的這一盲區，各種室內定位技術應 運而生。
[0003] 目前常見的室內定位技術主要有超聲波定位技術、藍牙定位技術、射頻定位技術、 紅外線定位技術以及超寬帶定位技術。但是這些技術在定位精度、實現難度或者抗干擾能 力上都存在著或多或少的缺陷，難以滿足大眾對于室內定位導航的需求。隨著白光通信技 術的發展以及LED燈的普及，基于LED的室內定位技術開始引起人們的關注。可見光定位技 術因其定位精度高，投入成本低，保密性好等一系列優點，也被認為是最有希望解決當前室 內定位導航難題的熱點技術。
[0004] 目前，LED室內定位技術主要分為成像定位技術和非成像定位技術兩大類，成像定 位技術主要應用圖像傳感器來進行定位，非成像定位技術主要是基于距離測量的，由于其 實現難度相對較低，能滿足大規模應用的要求，而且定位精度也較高，目前的室內定位技術 大多采用基于接收信號強度(RSS，Received Signal Strengths)的方式，通過測量接收端 接收到的功率來進行位置估計的，如發明申請"一種基于LED照明的室內定位導航方法及裝 置"（申請號：CN201510730659)，其定位原理如下：
[0005] (1)對室內LED照明系統中的各LED燈進行編碼，位置編碼與對應LED燈所在的三維 空間坐標相對應；
[0006] (2)將各LED燈的ID編碼以時分復用的形式加載到LED燈發射的光信號中，形成數 據光信號；
[0007] (3接收端接收各LED燈的數據光信號，測量出數據光信號所對應LED燈的功率并解 析出該燈對應的位置編碼；
[0008] (4)根據測得的接收功率以及對應的位置編碼來對接收機進行位置估計。
[0009] 現有的大部分采用RSS算法的接收系統大都是通過攝像頭來進行光強測量，這種 方式測量誤差較大，容易受到外界環境干擾，定位精度較低。而少數采用PIN光電二極管來 測量光強的接收裝置都是用分立元件搭建而成，系統復雜度高，穩定性差，測量精度低，功 耗大，很難實現大規模的商業應用。

【發明內容】

[0010] 本發明的目的在于克服現有技術的不足并提供一種基于LED照明的室內定位導航 接收系統，可有效提高LED室內定位的精度，并且能夠實現室內定位接收裝置的小型化和集 成化。
[0011]實現本發明目的所采用的技術方案為，一種基于LED照明的室內定位導航接收系 統，包括光電探測器、信號調理模塊、AD采樣模塊、時序控制單元、RAM緩存單元、碼元判決模 塊、微處理器和SPI接口，光電探測器、信號調理模塊和AD采樣模塊順序連接，AD采樣模塊的 輸出端連接RAM緩存單元的輸入端，RAM緩存單元的輸出端分別連接碼元判決模塊和微處理 器，碼元判決模塊的的輸出端連接微處理器的輸入端，SPI接口連接微處理器的輸出端，時 序控制單元分別與AD采樣模塊、RAM緩存單元和碼元判決模塊電性連接并且與微處理器進 行信息交互;所述碼元判決模塊包括電性連接的電壓比較器和序列檢測器。
[0012]所述信號調理模塊由低噪聲前置放大電路、濾波電路和主放大電路組成。
[0013] 所述低噪聲前置放大電路為跨阻型放大電路。
[0014] 所述濾波電路為二階巴特沃斯型有源高通濾波電路。
[0015] 所述主放大電路為反向比例放大電路。
[0016] 所述AD采樣模塊的位數為10位，采樣頻率大于10MHz。
[0017] 所述的RAM緩存單元的類型為雙口 SRAM。
[0018] 所述光電探測器為PIN光電二極管。
[0019] 所述時序控制單元基于FPGA實現。
[0020] 所述信號調理模塊、AD采樣模塊、時序控制單元、RAM緩存單元、碼元判決模塊、微 處理器和SPI接口集成于一片FPGA中。
[0021] 由上述技術方案可知，本發明提供的基于LED照明的室內定位導航接收系統，包括 光電探測器、信號調理模塊、AD采樣模塊、時序控制單元、RAM緩存單元、碼元判決模塊、微處 理器和SPI接口；其中1、光電探測器用于接收LED燈的光照并將其轉化成電信號，光電探測 器優選PIN光電二極管;2、信號調理模塊用于對光電探測器輸出的電流信號進行放大濾波 處理，信號調理模塊由前置跨阻放大電路、濾波電路和主放大電路組成，外部PIN光電二極 管轉換產生的光電流信號進入到前置跨阻放大電路的輸入端，由于該電流極其微弱，通常 為幾十到幾百微安，且電流信號不方便進行后續的信號處理，通過跨阻放大電路作為前置 放大電路，對PIN光電二極管輸入的信號進行初步的低噪聲放大，同時起到電流電壓轉換器 的作用，將極其微弱的光電流信號轉換放大為電壓信號，使得濾波電路和主放大電路處理 的信號均為電壓信號，降低后續信號處理難度，經過前置放大電路放大后的得到的電壓信 號進入濾波電路中，濾波電路濾除信號中的低頻噪聲，高通濾波之后的信號經由主放大電 路進行進一步的放大之后便得到了適合后續電路進行處理的電壓信號;3、AD采樣模塊對放 大濾波后的模擬信號（電壓信號)進行采樣，參考電壓由芯片外部電路提供，采樣時鐘由時 序控制單元產生，采樣之后的數字量輸出端直接與RAM緩存單元相連，采樣數據被存入RAM 緩存單元，等待微處理器進行處理;4、RAM緩存單元用于緩存AD采樣模塊得到的數據，同時 將數據傳輸至微處理器和碼元判決模塊中；5、碼元判決模塊與RAM緩存單元相連，根據緩存 在RAM中的AD采樣模塊得到的電壓信號進行碼元判決，在得到的功率數據中判別出LED燈的 位置編碼信息，碼元判決模塊包括電性連接的電壓比較器和序列檢測器，由于發射端發送〇 和1時對應LED燈的發光功率分別為兩個不同的功率值，此時接收端也相應接收到不同的功 率，電壓比較器中設定判決門限即電壓閾值，該電壓閾值與可判定接收到的是功率值為"0" 或"1"對應功率的功率閾值相對應，當電壓信號大于電壓閾值，對應的接收功率大于功率閾 值時，則判決此時接收到的碼元為1，反之則為〇,序列檢測器用于定位接收的一幀信號的幀 頭，這樣就能根據采樣數據判別出LED燈的位置編碼，經碼元判決模塊判決后得到LED燈的 編碼信息直接發送給微處理器進行處理;6、時序控制單元，時序控制單元分別與AD采樣模 塊、RAM緩存單元和碼元判決模塊電性連接并且與微處理器進行信息交互，為連接的各模塊 提供工作時鐘，協調各模塊的工作時序，包括控制AD采樣模塊的采樣速率、RAM緩存單元的 讀寫操作以及碼元判決的模塊判決;7、微處理器，負責RSS算法的實現，首先從RAM緩存單元 中讀取AD采樣模塊得到的數據，計算出實時的接收功率，然后再結合碼元判決模塊發送過 來的LED燈編碼信息，計算出接收機的實時位置;8、SPI接口，SPI接口連接微處理器的輸出 端，用于微處理器與外部設備之間的通信，將微處理器計算得到的實時位置信息發送給外 部設備，同時也能接收外部設備傳來的配置信息。
[0022] 與現有技術相比，本發明提供的定位接收系統的優點在于：
[0023] (1)本發明提供的定位接收系統中，信號調理模塊由前置跨阻放大電路、濾波電路 和主放大電路組成，將跨阻放大電路作為前置放大電路，對PIN光電二極管輸入的信號進行 初步的低噪聲放大，同時起到電流電壓轉換器的作用，將極其微弱的光電流信號轉換放大 為電壓信號，使得濾波電路和主放大電路處理的信號均為電壓信號，降低后續信號處理難 度，從而提尚定位準確性；
[0024] (2)信號調理模塊、AD采樣模塊、時序控制單元、RAM緩存單元、碼元判決模塊、微處 理器和SPI接口集成于一片FPGA中，極大地降低了系統的復雜度，提升了系統抗干擾能力并 且系統體積小，FPGA設計在線可編程的靈活性，可以方便的更改設計滿足任何場合的需要， 通用性好、擴展性強；
[0025] (3)通過時序控制單元為定位接收系統內部模塊提供工作時鐘，協調各模塊的工 作時序，使得該定位接收系統不需依托外部時序組件，可省略定位接收系統用于與外部時 序單元進行無線連接的組件，精簡系統組成結構，降低系統成本。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發明提供的基于LED照明的室內定位導航接收系統的結構框圖。
[0027]圖2為信號調理模塊的跨阻型放大電路的電路圖。
[0028]圖3為信號調理模塊的濾波電路的電路圖。
[0029] 圖4為信號調理模塊的主放大電路的電路圖。
[0030] 圖5為AD采樣模塊的內部結構框圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖和實施例對本發明進項詳細具體說明，本發明的內容不局限于以下 實施例。
[0032]如圖1所示，本發明提供的基于LED照明的室內定位導航接收系統，包括光電探測 器、信號調理模塊、AD采樣模塊、時序控制單元、RAM緩存單元、碼元判決模塊、微處理器和 SPI接口，光電探測器、信號調理模塊和AD采樣模塊順序連接；
[0033 ]光電探測器為PIN光電二極管，用于接收LED燈的光照并將其轉化成電信號；
[0034]信號調理模塊由低噪聲前置放大電路、濾波電路和主放大電路組成，用于對光電 探測器輸出的電流信號進行放大濾波處理，低噪聲前置放大電路為跨阻型放大電路，參見 圖2,外部PIN光電二極管轉換產生的光電流信號進入到前置跨阻放大電路的輸入端，由于 該電流極其微弱，通常為幾十到幾百微安，且電流信號不方便進行后續的信號處理，通過跨 阻放大電路作為前置放大電路，對PIN光電二極管輸入的信號進行初步的低噪聲放大，同時 起到電流電壓轉換器的作用，將極其微弱的光電流信號轉換放大為電壓信號，跨阻型放大 電路的放大倍數和帶寬取決于芯片的外接電阻R1和電容C1的值，其中，帶寬可由下面的式 子確定
，式中的GBW為運放的增益帶寬積，Ct為運放輸入端總的輸入電 容;經過前置放大電路放大后的得到的電壓信號VI進入圖3所示的濾波電路中，濾波電路為 二階巴特沃斯型有源高通濾波電路，濾波電路濾除信號中的低頻噪聲，濾波器的截止頻率
其截止頻率可通過芯片的外接電阻和電容來進行調整，高通濾波之后的信號V2 經由圖4所示的主放大電路進行進一步的放大之后便得到了適合后續電路進行處理的電壓 信號V3，主放大電路為反向比例放大電路，電壓信號V3被直接送到AD采樣模塊中；
[0035] AD采樣模塊的輸出端連接RAM緩存單元的輸入端，AD采樣模塊用于對放大濾波后 的模擬信號（電壓信號)進行采樣，其內部結構如圖5所示，采用的是逐次比較型A/D轉換器， AD采樣模塊的位數為10位，采樣頻率大于10MHz，采樣模塊的模擬量輸入端與信號調理電路 的輸出端相連，參考電壓由芯片外部電路提供，采樣時鐘由時序控制單元產生，采樣之后的 數字量輸出端直接與RAM緩存單元相連，采樣數據被存入RAM緩存單元，等待微處理器進行 處理；
[0036] RAM緩存單元的輸出端分別連接碼元判決模塊和微處理器，RAM緩存單元用于緩存 AD采樣模塊得到的數據，同時將數據傳輸至微處理器和碼元判決模塊中，RAM緩存單元的類 型為雙口 SRAM;
[0037] 碼元判決模塊與RAM緩存單元相連，根據緩存在RAM中的AD采樣數據進行碼元判 決，由于LED室內定位系統當中，接收功率是不斷變化的，且變化幅度較大，碼元判決模塊包 括電性連接的序列檢測器和10位的高速并行電壓比較器，由于發射端發送0和1時對應LED 燈的發光功率分別為兩個不同的功率值，此時接收端也相應接收到不同的功率，電壓比較 器中設定判決門限即電壓閾值，該電壓閾值與可判定接收到的是功率值為"〇"或"1"對應功 率的功率閾值相對應，當電壓信號大于電壓閾值，對應的接收功率大于功率閾值時，則判決 此時接收到的碼元為1，反之則為0,序列檢測器用于定位接收的一幀信號的幀頭，碼元判決 模塊的的輸出端連接微處理器的輸入端，經碼元判決模塊判決后得到LED燈的編碼信息直 接發送給微處理器進行處理；
[0038] 時序控制單元，時序控制單元分別與AD采樣模塊、RAM緩存單元和碼元判決模塊電 性連接并且與微處理器進行信息交互，為連接的各模塊提供工作時鐘，協調各模塊的工作 時序，包括控制AD采樣模塊的采樣速率、RAM緩存單元的讀寫操作以及碼元判決的模塊判 決，時序控制單元基于FPGA實現；
[0039]微處理器為基于FPGA的軟核處理器，負責RSS算法的實現，首先從RAM緩存單元中 讀取AD采樣模塊得到的數據，計算出實時的接收功率，然后再結合碼元判決模塊發送過來 的LED燈編碼信息，計算出接收機的實時位置；
[0040] SPI接口連接微處理器的輸出端，用于微處理器與外部設備之間的通信，將微處理 器計算得到的實時位置信息發送給外部設備，同時也能接收外部設備傳來的配置信息，信 號調理模塊、AD采樣模塊、時序控制單元、RAM緩存單元、碼元判決模塊、微處理器和SPI接口 集成于一片FPGA中。
【主權項】
1. 一種基于LED照明的室內定位導航接收系統，其特征在于:包括光電探測器、信號調 理模塊、AD采樣模塊、時序控制單元、RAM緩存單元、碼元判決模塊、微處理器和SPI接口，光 電探測器、信號調理模塊和AD采樣模塊順序連接，AD采樣模塊的輸出端連接RAM緩存單元的 輸入端，RAM緩存單元的輸出端分別連接碼元判決模塊和微處理器，碼元判決模塊的的輸出 端連接微處理器的輸入端，SPI接口連接微處理器的輸出端，時序控制單元分別與AD采樣模 塊、RAM緩存單元和碼元判決模塊電性連接并且與微處理器進行信息交互;所述碼元判決模 塊包括電性連接的電壓比較器和序列檢測器。2. 根據權利要求1所述的基于LED照明的室內定位導航接收系統，其特征在于:所述信 號調理模塊由低噪聲前置放大電路、濾波電路和主放大電路組成。3. 根據權利要求2所述的基于LED照明的室內定位導航接收系統，其特征在于:所述低 噪聲前置放大電路為跨阻型放大電路。4. 根據權利要求2所述的基于LED照明的室內定位導航接收系統，其特征在于:所述濾 波電路為二階巴特沃斯型有源高通濾波電路。5. 根據權利要求2所述的基于LED照明的室內定位導航接收系統，其特征在于:所述主 放大電路為反向比例放大電路。6. 根據權利要求1所述的基于LED照明的室內定位導航接收系統，其特征在于:所述AD 采樣模塊的位數為10位，采樣頻率大于10MHz。7. 根據權利要求1所述的基于LED照明的室內定位導航接收系統，其特征在于:所述的 RAM緩存單元的類型為雙口 SRAM。8. 根據權利要求1所述的基于LED照明的室內定位導航接收系統，其特征在于:所述光 電探測器為PIN光電二極管。9. 根據權利要求1所述的基于LED照明的室內定位導航接收系統，其特征在于:所述時 序控制單元基于FPGA實現。10. 根據權利要求1所述的基于LED照明的室內定位導航接收系統，其特征在于:所述信 號調理模塊、AD采樣模塊、時序控制單元、RAM緩存單元、碼元判決模塊、微處理器和SPI接口 集成于一片FPGA中。
【文檔編號】G01S5/16GK105891779SQ201610277863
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月28日
【發明人】王瑾, 鄧松林, 吳讓仲, 顧文君
【申請人】中國地質大學（武漢）