0 引言

    隨著科技的進(jìn)步和人們生活水平的提高，便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)在人們的生活中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。采用MIMU/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)不受GPS信號(hào)限制的全區(qū)域?qū)Ш降倪B續(xù)性和可靠性^[1]。而便攜式導(dǎo)航設(shè)備往往穿戴于人身上，若傳感器是以硬件有線(xiàn)連接方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，會(huì)使設(shè)備穿戴不便，且會(huì)妨礙捕捉對(duì)象的正常運(yùn)動(dòng)過(guò)程。ZigBee技術(shù)是一種短距離、低成本、低功耗、低復(fù)雜度的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，并且網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠^[2]?；谏鲜霈F(xiàn)狀，本導(dǎo)航系統(tǒng)使用GPS和MEMS組合導(dǎo)航，并采用全無(wú)線(xiàn)的通信方式，使本系統(tǒng)在穿戴時(shí)方便可靠，對(duì)捕捉對(duì)象運(yùn)動(dòng)無(wú)束縛作用。

1 便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

    基于微慣性及GPS組合的便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)主要由無(wú)線(xiàn)發(fā)送終端和手持無(wú)線(xiàn)接收終端兩部分構(gòu)成。無(wú)線(xiàn)發(fā)送終端通常穿戴于人體的某個(gè)部位，如鞋上、腿上或腰上等，實(shí)現(xiàn)微慣性傳感器數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到便攜式手持無(wú)線(xiàn)接收終端；手持無(wú)線(xiàn)接收終端主要實(shí)現(xiàn)接收無(wú)線(xiàn)慣性傳感器數(shù)據(jù)和采集GPS信息，并將所有數(shù)據(jù)傳輸給手持終端的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航解算，并將解算的導(dǎo)航信息顯示在LCD液晶屏幕上。便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

    系統(tǒng)主要由微慣性測(cè)量單元、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、GPS接收機(jī)、電源穩(wěn)壓電路、LCD液晶屏等構(gòu)成。根據(jù)MIMU/GPS組合便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)體積、功耗、運(yùn)算能力、接口等各方面需求，以DSP+MCU架構(gòu)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)。其中DSP主要完成導(dǎo)航算法和系統(tǒng)控制的主處理器，專(zhuān)注于導(dǎo)航數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)解算；另一個(gè)為基于無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的微控制器MCU負(fù)責(zé)完成對(duì)外的數(shù)據(jù)接口電路及無(wú)線(xiàn)通信部分，導(dǎo)航器件包括一個(gè)集成三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸磁強(qiáng)計(jì)的微慣性測(cè)量傳感器以及GPS接收機(jī)。

    系統(tǒng)選用的器件均為性?xún)r(jià)比高、可靠性強(qiáng)、技術(shù)發(fā)展成熟的器件，因此系統(tǒng)具有工作壽命長(zhǎng)、功耗低、體積小、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集發(fā)送終端

    如圖2所示，數(shù)據(jù)采集發(fā)送終端主要由微慣性測(cè)量單元ADIS16405、ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊CC2530、電源穩(wěn)壓電路等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)MEMS傳感器數(shù)據(jù)采集，并可將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)或UART協(xié)議傳輸給外部設(shè)備(PC機(jī)等)。MEMS微慣性傳感器選用ADIS16405慣性傳感器，ADIS16405傳感器是一個(gè)完整的慣性傳感系統(tǒng)，它包括一個(gè)三軸陀螺儀、一個(gè)三軸加速度計(jì)和一個(gè)三軸磁強(qiáng)計(jì)^[3]。CC2530微控制器通過(guò)SPI接口與MEMS微慣性測(cè)量傳感電路之間進(jìn)行雙向通信，一方面通過(guò) SPI 接口對(duì)慣性測(cè)量模塊相應(yīng)寄存器進(jìn)行配置；另一方面讀取MEMS微慣性測(cè)量傳感器中的數(shù)據(jù)。在兩者通信中，CC2530作為主機(jī)，ADIS16405為從機(jī)。

    由于CC2530本身帶有射頻的功能，對(duì)于此種小功率網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)不需要外加額外的射頻芯片，只需加一些簡(jiǎn)單電路即可實(shí)現(xiàn)射頻功能。但是在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí),對(duì)于發(fā)射功率會(huì)有一定的要求，當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)的時(shí)候需要加上功放芯片。因?yàn)樵撏饨与娐返纳漕l部分使用了單極子的不平衡天線(xiàn)，所以要用一個(gè)巴倫電路來(lái)優(yōu)化性能，可以采用低成本的分立電容和電感來(lái)實(shí)現(xiàn)^[4]。

2.2 數(shù)據(jù)處理接收終端

    如圖3所示，數(shù)據(jù)處理接收終端主要由ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊CC2530、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、GPS接收機(jī)、電源穩(wěn)壓電路、LCD液晶屏幕等構(gòu)成。系統(tǒng)以DSP+MCU架構(gòu)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，其中DSP主要完成導(dǎo)航數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)解算，另一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的微控制器MCU負(fù)責(zé)完成對(duì)外部無(wú)線(xiàn)通信數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)接收。導(dǎo)航結(jié)果參數(shù)通過(guò)液晶屏幕顯示。

    系統(tǒng)選用TI公司C6000系列的浮點(diǎn)DSP TMS320C6727B作為導(dǎo)航解算的主處理器，由C6727組成的最小系統(tǒng)主要包括其基礎(chǔ)配置和存儲(chǔ)器電路兩部分，其中基礎(chǔ)配置主要由時(shí)鐘模塊、復(fù)位電路、調(diào)試接口電路等組成。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集發(fā)送終端軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)采用型號(hào)為CC2530的MCU，配置定時(shí)器10 ms中斷，以100 Hz的采樣頻率通過(guò)SPI總線(xiàn)讀取MEMS傳感器原始數(shù)據(jù)，并應(yīng)用ZigBee協(xié)議，將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o(wú)線(xiàn)接收終端。其軟件流程如圖4所示。

3.1.1 MIMU傳感器數(shù)據(jù)采集

    MEMS微慣性測(cè)量模塊配置為SPI通信的從機(jī)模式，時(shí)鐘由主機(jī)CC2530提供。SPI 通信雙方靠主機(jī)提供的同步時(shí)鐘協(xié)調(diào)各自的收/發(fā)操作，其雙方是否可以通信取決于時(shí)鐘模式是否匹配。ADIS16405的SPI模塊在時(shí)鐘上升沿接收數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，因此要求主機(jī)CC2530在時(shí)鐘空閑時(shí)期要處于低電平狀態(tài)。

    在圖5中，SCLK表示SPI 的時(shí)鐘，DIN表示SPI接收數(shù)據(jù)，DOUT表示SPI發(fā)送數(shù)據(jù)。慣性測(cè)量模塊的SPI在SCLK為高電平時(shí)有效，在SCLK上升沿時(shí)刻接收數(shù)據(jù)，在SCLK下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.1.2 MIMU數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)發(fā)送軟件設(shè)計(jì)

    在組網(wǎng)步驟中，本文使用Basic RF。Basic RF由TI公司提供，它包含了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包的收發(fā)功能^[7]。Basic RF為雙向無(wú)線(xiàn)通信提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的協(xié)議，通過(guò)這個(gè)協(xié)議能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

    Basic RF的發(fā)送為：

    (1)創(chuàng)建一個(gè)buffer，把payload放入其中。Payload最大為103 B。

    (2)調(diào)用basicRfSendPacket()函數(shù)發(fā)送，并查看其返回值。uint8 basicRfSendPacket(uint16 destAddr, uint8* pPayload, uint8 length)函數(shù)功能是給目的短地址發(fā)送指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，發(fā)送成功剛返回SUCCESS，失敗則返回FAILED。其中destAddr為目的短地址，pPayload是指向發(fā)送緩沖區(qū)的指針，length為發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

3.2 數(shù)據(jù)處理接收終端軟件設(shè)計(jì)

    數(shù)據(jù)處理接收終端通過(guò)RF中斷接收無(wú)線(xiàn)慣性傳感器數(shù)據(jù)，使用DMA控制器采集GPS串口信息，并將所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航解算，也可通過(guò)串口通信將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)。其軟件流程圖如圖6所示。

3.2.1 無(wú)線(xiàn)接收軟件設(shè)計(jì)

    Basic RF的接收為：

    (1)上層通過(guò)basicRfPacketIsReady()函數(shù)來(lái)檢查是否收到一個(gè)新數(shù)據(jù)包，此函數(shù)功能是檢查模塊是否已經(jīng)可以接收下一個(gè)數(shù)據(jù)，如果準(zhǔn)備好則返回 TRUE。

    (2)調(diào)用basicRfReceive()函數(shù)，把收到的數(shù)據(jù)復(fù)制到buffer中，此函數(shù)功能是接收來(lái)自Basic RF層的數(shù)據(jù)包，并為所接收的數(shù)據(jù)配緩沖區(qū)。

3.2.2 基于DMA的串口數(shù)據(jù)收發(fā)

    便攜式組合導(dǎo)航系統(tǒng)需要解析出的GPS相應(yīng)參數(shù)主要為速度和位置信息。實(shí)際OEM板輸出的數(shù)據(jù)主要有ASCII碼和二進(jìn)制方式兩種格式。ASCII碼格式比較符合人的閱讀習(xí)慣，而二進(jìn)制方式較適合計(jì)算機(jī)操作。本文選用二進(jìn)制方式進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。GPS共輸出180個(gè)字節(jié)，頭信息28個(gè)字節(jié)，其中同步字符有3個(gè)AA 44 12，根據(jù)3個(gè)連續(xù)同步字符，可以判斷數(shù)據(jù)幀接收開(kāi)始。

    針對(duì)大數(shù)據(jù)量的GPS串口間通信，在常規(guī)的UART串行數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)上，結(jié)合CC2530微控制器中DMA控制器的作用，實(shí)現(xiàn)DMA控制的UART串口數(shù)據(jù)包收發(fā)，可以避免在MCU處理接收RF數(shù)據(jù)過(guò)程中大流量數(shù)據(jù)串口通信中的數(shù)據(jù)丟失，極大地提高串行數(shù)據(jù)通信過(guò)程的MCU獨(dú)立性和MCU利用的效率^[5-6]。 

    為了使用DMA通道，必須首先對(duì)DMA通道的源地址、目標(biāo)地址、傳送長(zhǎng)度、觸發(fā)事件等寄存器進(jìn)行配置。當(dāng)DMA通道配置完畢后，在允許任何傳輸發(fā)起之前，必須進(jìn)入工作狀態(tài)。DMA通道通過(guò)將DMA通道工作狀態(tài)寄存器DMAARM中指定位置1，就可以進(jìn)入工作狀態(tài)。一旦DMA通道進(jìn)入工作狀態(tài)，當(dāng)配置的DMA觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)，即可開(kāi)始數(shù)據(jù)傳送。圖7為DMA工作流程圖。

4 測(cè)試與驗(yàn)證

    本系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)接收終端接收包含MIMU數(shù)據(jù)的RF信號(hào)并通過(guò)DMA采集GPS信號(hào)。CC2530有一個(gè)內(nèi)置的接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)，可以從寄存器讀出，或自動(dòng)附加到收到的幀^[8]；同時(shí)在采集MEMS數(shù)據(jù)時(shí)，MCU軟件進(jìn)行了幀計(jì)數(shù)，每采集一組數(shù)據(jù)便計(jì)數(shù)加1,采集的數(shù)據(jù)可以通過(guò)此信息計(jì)算誤包率，判斷是否有數(shù)據(jù)丟失。

    無(wú)線(xiàn)接收終端將表1所示的信息通過(guò)串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)監(jiān)控平臺(tái)，并計(jì)算顯示當(dāng)前的誤包率、RSSI值和接收到數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)。

    在圖8所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，RECE為接收包的序號(hào)，PER為誤包率，RSSI為和傳輸距離等因素相關(guān)的信號(hào)強(qiáng)度值。根據(jù)串口助手顯示的數(shù)據(jù)可以看到誤包率一直為零，這說(shuō)明所設(shè)計(jì)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)包在一定的距離內(nèi)全部被正確接收，無(wú)線(xiàn)通信的過(guò)程中沒(méi)有丟包，實(shí)驗(yàn)證明了系統(tǒng)的可靠性很高。

    如圖9所示，按矩形路線(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)，先向北行進(jìn)大約45 m，再向東按矩形路線(xiàn)回到出發(fā)點(diǎn)，導(dǎo)航結(jié)果說(shuō)明系統(tǒng)能夠可靠正常地運(yùn)行。

    本文設(shè)計(jì)的便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)采用型號(hào)為CC2530的ZigBee微控制器以100 Hz的采樣頻率讀取MIMU原始數(shù)據(jù)，并以無(wú)線(xiàn)的方式將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給無(wú)線(xiàn)接收終端。同時(shí)無(wú)線(xiàn)接收終端通過(guò)功能強(qiáng)大的DMA控制器采集GPS串口數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)DMA控制的串口數(shù)據(jù)收發(fā)，避免了MCU處理串口通信大流量數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)丟失，極大地提高了MCU的利用效率。并根據(jù)誤包率、RSSI值和接收到數(shù)據(jù)包的丟失情況對(duì)本系統(tǒng)的穩(wěn)定性和信號(hào)傳輸質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，最后通過(guò)行人導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性。

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