基于FPGA的虛擬現實(shí)定位系統

　　虛擬現實(shí)技術(shù)是目前計算機信息科學(xué)中的前沿學(xué)科，文中設計了一種以FPGA 為核心的數據采集處理系統.利用HMC5883L和ADXL345對虛擬場(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)景主機發(fā)送數據.整個(gè)系統以 FPGA作為主控制器，配以傳感器數據采集，內部FIFO存儲，以太網(wǎng)高速傳輸，從而把定位系統參數實(shí)時(shí)傳送到上位機中，具有傳輸速度快.實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現了虛擬現實(shí)高精度定位的功能.

　　1 引言

　　虛擬現實(shí)(Virtual Reality，VR)是目前計算機應用方面活躍的技術(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).它是依據計算機視頻技術(shù)為基礎，將計算機圖像處理.計算機心理學(xué).人工智能.人機交互技術(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.醫療醫用以及教育等行業(yè).目前它已經(jīng)是21世紀發(fā)展過(guò)程中影響人類(lèi)生活的重要技術(shù)之一.

　　整個(gè)虛擬現實(shí)中，在場(chǎng)景中對物體的定位是關(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)獲取所必須的數據.

　　磁阻效應傳感器是根據磁性材料的磁阻效應構成的.圖1為簡(jiǎn)單的磁阻效應傳感器的結構示意圖.由于磁性材料(如坡莫合金)具有各向異性，對它進(jìn)行磁化時(shí)，其磁化方向將取決于材料的易磁化軸.材料的形狀和磁化磁場(chǎng)的方向.所以在其線(xiàn)性范圍內，電橋的輸出電壓與被測磁場(chǎng)成正比.同時(shí)利用XYZ 三個(gè)方向上的磁通量進(jìn)行三角函數的轉換可知道方位角為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構，置于晶圓頂部.由于應用加速度，多晶硅彈簧懸掛于晶圓表面的結構之上，提供力量阻力.差分電容由獨立固定板和活動(dòng)質(zhì)量連接板組成，能對結構偏轉進(jìn)行測量.加速度使慣性質(zhì)量偏轉.差分電容失衡，從而傳感器輸出的幅度與加速度成正比.相敏解調用于確定加速度的幅度和極性.

　　虛擬現實(shí)定位技術(shù)在國內外發(fā)展很迅速，主要在醫療與娛樂(lè )方面取得了成就.國內傳統的技術(shù)主要是以單片機為核心處理器，在數據的處理和傳輸速度上有明顯的不足.本文的虛擬定位系統利用高精度的定位傳感器，FPGA處理和傳輸數據能夠高速.實(shí)時(shí)的對數據進(jìn)行采集與處理，降低了傳輸壓力，提高了數據吞吐量與設備利用率.現場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列FPGA，是現代IC設計驗證的主流ASIC器件.FPGA設計靈活，易于修改，可靠性高，開(kāi)發(fā)周期短，處理速度快，易于實(shí)現高速電路的設計，可以方便的對定位傳感器進(jìn)行驅動(dòng)，并對其數據進(jìn)行快速的處理和傳輸.

　　數據采集系統總體設計結構

　　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，利用了模塊化的結構分別對每個(gè)單元進(jìn)行流水線(xiàn)操作.整個(gè)系統主要包括：FPGA核心處理模塊.硬件電源模塊.場(chǎng)景數據處理模塊.以太網(wǎng)通訊模塊.當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 )將新的數據存儲到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分析處理.系統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.系統上電以后，FPGA發(fā)出的信號包括兩個(gè)傳感器時(shí)鐘驅動(dòng)信號，以太網(wǎng)芯片控制信號.FPGA內部的信號包括FIFO控制信號.傳感器信號傳入的控制信號.系統的工作過(guò)程為：FPGA 對各傳感器和以太網(wǎng)進(jìn)行正確的驅動(dòng)后，傳感器開(kāi)始以一定的頻率向FPGA發(fā)送數據，當FPGA接收到一次數據后馬上將數據存儲在FIFO中;同時(shí)FIFO 在相應的條件下按照寫(xiě)時(shí)鐘把數據一次存儲好，按照時(shí)鐘把原來(lái)存儲的數據發(fā)送給以太網(wǎng)芯片;以太網(wǎng)芯片把這些數據封裝成UDP包，通過(guò)以太網(wǎng)總線(xiàn)上傳給上位機;最后，上位機在收到有效的數據時(shí)，對數據進(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)現了虛擬現實(shí)的功能.

　　數據采集系統模塊化設計

　　3.1 HMC5883L數據采集模塊設計

　　場(chǎng)景數據模塊是整個(gè)測量系統的基礎部分，也是整個(gè)電路工作的必不可少的一個(gè)模塊.其中包括了測量方位角用的HMC5883L磁阻傳感器芯片以及測量?jì)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，并帶有數字接口的弱磁傳感器芯片，應用于低成本羅盤(pán)和磁場(chǎng)檢測領(lǐng)域.

　　HMC5883L的時(shí)鐘是一系列的I2 C驅動(dòng)時(shí)鐘周期.本模塊的設計目標在于將三維磁阻傳感器芯片HMC5883L良好的驅動(dòng)并確定時(shí)序中數據的傳輸順序.目前采用FPGA引腳對相對應的時(shí)序進(jìn)行控制.

　　HMC5883L傳感器固定的時(shí)序中完成對數據的采集，采集到的數據是具有特定格式的數字量，需要經(jīng)過(guò)一定算法分析和數據整理才能送往上位機進(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)程中采用了標準速率模式100kHz，在總線(xiàn)規定中，總線(xiàn)的位格式是一個(gè)8位數據/地址傳送和1位應答位.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)行數據等待，之后使用I2C的傳輸方式對數據進(jìn)行控制.一個(gè)測試前的過(guò)程需要對應有的測量寄存器進(jìn)行對 應的配置.首先發(fā)送配置寄存器A的配置量，為寫(xiě)操作，寄存器指令為默認值;第二步發(fā)送配置寄存器B的配置量，同樣也為默認值;第三步發(fā)送模式寄存器的配置 量，即發(fā)送數據0X00(即連續測量模式).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)根據時(shí)鐘的采樣速度，循環(huán)對傳感器內部寄存器 03-08進(jìn)行操作，得到X、Y、Z 三個(gè)方向上的數據，讀入到代碼設定的寄存器中.具體操作流程如圖4所示.

　　3.2 ADXL345數據采集模塊設計

　　ADXL345在虛擬場(chǎng)景系統中用于測量?jì)A斜角，它的時(shí)鐘驅動(dòng)也是一系列的I2 C驅動(dòng)時(shí)鐘周期.本模塊的設計也是針對于A(yíng)DXL345的時(shí)鐘驅動(dòng)和對應的數據讀取所進(jìn)行的.傾斜角的寄存器內容的獲取是整個(gè)模塊的主要內容.

　　在實(shí)際的場(chǎng)景系統中主要用到了X、Y、Z 三個(gè)方向上的偏移寄存器，用于測量中修正原始位置的測量誤差.對于數據采集速率則是由寄存器OX2C即寄存器BW_RATE的CH0-CH3所控制.對于 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(xiàn)與FPGA 進(jìn)行通信，在數據獲取方面集中在X、Y、Z 三個(gè)重力方向上的寄存器數據.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(xiàn)同時(shí)都受FPGA的控制，屬于系統控制的從端.同樣的，三維重力加速度傳感器也需要根據測量需求去輸入初 始化寄存器的配置.然后對需要讀取的寄存器數據位進(jìn)行總線(xiàn)讀取，并存入到配置好的8bit寄存器保存好打包傳往上位機進(jìn)行數據分析.(點(diǎn)擊可查看大圖)

　　3.3 場(chǎng)景數據分析

　　在地磁的測量過(guò)程中需要對數據進(jìn)行必要分析才能得到對應的方位角度.

　　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)方向上測量得到的加速度值.在特定的公式計算下可以大致得到目前物體所處的順時(shí)針?lè )轿唤莂為

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

　　硬磁效應只需要使用測試的數據值加上off 的偏移值便可，而對于軟磁效應，補償的方法比較復雜，一般可以使用公式進(jìn)行適當的估算，項目中初步使用式(12)進(jìn)行補償.其中Xr為真實(shí)的無(wú)干擾的坐標 值，a為其干擾系數，一般軟磁干擾就需要大量的數據去得到a 的值.一般情況下可以采取特定的角度進(jìn)行數據采樣，然后根據數據的

　　實(shí)際值Xr和對應無(wú)干擾的值Xc進(jìn)行運算，求出a的這個(gè)系數的值便可.

　　3.4 以太網(wǎng)通訊模塊設計

　　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.輸出驅動(dòng)器.自適應均衡雙絞線(xiàn)接收器.時(shí)鐘數據恢復功能模塊組成.

　　FPGA模塊編程中定義了UDP_User_int模塊來(lái)實(shí)現數據打包的詳細過(guò)程，另外MAC的物理層通信由MAC_top模塊來(lái)實(shí)現，包括PHY的初始 化.時(shí)鐘的控制.發(fā)生數據的控制.MII接口的控制.接收數據控制，寄存器的控制等，都定義了UDP_TOP頂層模塊來(lái)實(shí)現FPGA與它們的接口順利傳輸 數據.以太網(wǎng)驅動(dòng)模塊實(shí)現的RTL門(mén)級結構圖如圖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位數據，E_RXD是接收MAC層的數 據，E_TXD是發(fā)送給MAC層的數據;每組send_zb_value都是64個(gè)32位數據，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)送數據的使能信號;E_COL和E_CRS分別是沖突檢測和載波偵聽(tīng)信號，他們的作用是用來(lái)控制著(zhù) UDP包的正確發(fā)送.

　　4 結語(yǔ)

　　設計中使用了HMC5883L芯片對物體的方位角進(jìn)行測定，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.利用FPGA對數據的高速處理能力將采集到的場(chǎng)景定位內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)中的上位機中，最終在上位機實(shí)現虛擬場(chǎng)景的 變動(dòng).整套硬件系統能夠穩定的工作在研發(fā)的項目之中，工作性能良好.能耗低，精度可達1°以?xún)鹊姆秶?