一种基于led照明的室内定位导航接收系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于LED照明的室内定位导航接收系统，包括光电探测器、信号调理模块、AD采样模块、时序控制单元、RAM缓存单元、码元判决模块、微处理器和SPI接口，码元判决模块包括电性连接的电压比较器和序列检测器；码元判决模块判决此时接收到的码元为1或为0，序列检测器定位帧头，在得到的功率数据中判别出LED灯的位置编码信息，该定位接收系统可以根据输入光电流信号通过处理和计算得出接收机的实时位置信息，并将定位信息传送给外部设备，本发明可应用于所有的采用接收信号强度比算法RSS的LED室内定位导航系统当中，大大提高LED室内定位系统的集成度和定位精度，有利于实现LED室内定位技术的大规模推广应用。
【专利说明】
一种基于LED照明的室内定位导航接收系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种室内定位导航接收系统，属于定位导航技术领域。
【背景技术】
[0002] 当今社会，人们对于位置服务的需求已经越来越强烈，虽然GPS技术越来越成熟， 应用范围也越来越广泛，但是在建筑物内部和人口密集的大城市，GPS系统能够接收到的信 号非常微弱，无法实现定位功能。为了能够填补GPS定位的这一盲区，各种室内定位技术应 运而生。
[0003] 目前常见的室内定位技术主要有超声波定位技术、蓝牙定位技术、射频定位技术、 红外线定位技术以及超宽带定位技术。但是这些技术在定位精度、实现难度或者抗干扰能 力上都存在着或多或少的缺陷，难以满足大众对于室内定位导航的需求。随着白光通信技 术的发展以及LED灯的普及，基于LED的室内定位技术开始引起人们的关注。可见光定位技 术因其定位精度高，投入成本低，保密性好等一系列优点，也被认为是最有希望解决当前室 内定位导航难题的热点技术。
[0004] 目前，LED室内定位技术主要分为成像定位技术和非成像定位技术两大类，成像定 位技术主要应用图像传感器来进行定位，非成像定位技术主要是基于距离测量的，由于其 实现难度相对较低，能满足大规模应用的要求，而且定位精度也较高，目前的室内定位技术 大多采用基于接收信号强度(RSS，Received Signal Strengths)的方式，通过测量接收端 接收到的功率来进行位置估计的，如发明申请"一种基于LED照明的室内定位导航方法及装 置"（申请号：CN201510730659)，其定位原理如下：
[0005] (1)对室内LED照明系统中的各LED灯进行编码，位置编码与对应LED灯所在的三维 空间坐标相对应；
[0006] (2)将各LED灯的ID编码以时分复用的形式加载到LED灯发射的光信号中，形成数 据光信号；
[0007] (3接收端接收各LED灯的数据光信号，测量出数据光信号所对应LED灯的功率并解 析出该灯对应的位置编码；
[0008] (4)根据测得的接收功率以及对应的位置编码来对接收机进行位置估计。
[0009] 现有的大部分采用RSS算法的接收系统大都是通过摄像头来进行光强测量，这种 方式测量误差较大，容易受到外界环境干扰，定位精度较低。而少数采用PIN光电二极管来 测量光强的接收装置都是用分立元件搭建而成，系统复杂度高，稳定性差，测量精度低，功 耗大，很难实现大规模的商业应用。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于克服现有技术的不足并提供一种基于LED照明的室内定位导航 接收系统，可有效提高LED室内定位的精度，并且能够实现室内定位接收装置的小型化和集 成化。
[0011]实现本发明目的所采用的技术方案为，一种基于LED照明的室内定位导航接收系 统，包括光电探测器、信号调理模块、AD采样模块、时序控制单元、RAM缓存单元、码元判决模 块、微处理器和SPI接口，光电探测器、信号调理模块和AD采样模块顺序连接，AD采样模块的 输出端连接RAM缓存单元的输入端，RAM缓存单元的输出端分别连接码元判决模块和微处理 器，码元判决模块的的输出端连接微处理器的输入端，SPI接口连接微处理器的输出端，时 序控制单元分别与AD采样模块、RAM缓存单元和码元判决模块电性连接并且与微处理器进 行信息交互;所述码元判决模块包括电性连接的电压比较器和序列检测器。
[0012]所述信号调理模块由低噪声前置放大电路、滤波电路和主放大电路组成。
[0013] 所述低噪声前置放大电路为跨阻型放大电路。
[0014] 所述滤波电路为二阶巴特沃斯型有源高通滤波电路。
[0015] 所述主放大电路为反向比例放大电路。
[0016] 所述AD采样模块的位数为10位，采样频率大于10MHz。
[0017] 所述的RAM缓存单元的类型为双口 SRAM。
[0018] 所述光电探测器为PIN光电二极管。
[0019] 所述时序控制单元基于FPGA实现。
[0020] 所述信号调理模块、AD采样模块、时序控制单元、RAM缓存单元、码元判决模块、微 处理器和SPI接口集成于一片FPGA中。
[0021] 由上述技术方案可知，本发明提供的基于LED照明的室内定位导航接收系统，包括 光电探测器、信号调理模块、AD采样模块、时序控制单元、RAM缓存单元、码元判决模块、微处 理器和SPI接口；其中1、光电探测器用于接收LED灯的光照并将其转化成电信号，光电探测 器优选PIN光电二极管;2、信号调理模块用于对光电探测器输出的电流信号进行放大滤波 处理，信号调理模块由前置跨阻放大电路、滤波电路和主放大电路组成，外部PIN光电二极 管转换产生的光电流信号进入到前置跨阻放大电路的输入端，由于该电流极其微弱，通常 为几十到几百微安，且电流信号不方便进行后续的信号处理，通过跨阻放大电路作为前置 放大电路，对PIN光电二极管输入的信号进行初步的低噪声放大，同时起到电流电压转换器 的作用，将极其微弱的光电流信号转换放大为电压信号，使得滤波电路和主放大电路处理 的信号均为电压信号，降低后续信号处理难度，经过前置放大电路放大后的得到的电压信 号进入滤波电路中，滤波电路滤除信号中的低频噪声，高通滤波之后的信号经由主放大电 路进行进一步的放大之后便得到了适合后续电路进行处理的电压信号;3、AD采样模块对放 大滤波后的模拟信号（电压信号)进行采样，参考电压由芯片外部电路提供，采样时钟由时 序控制单元产生，采样之后的数字量输出端直接与RAM缓存单元相连，采样数据被存入RAM 缓存单元，等待微处理器进行处理;4、RAM缓存单元用于缓存AD采样模块得到的数据，同时 将数据传输至微处理器和码元判决模块中；5、码元判决模块与RAM缓存单元相连，根据缓存 在RAM中的AD采样模块得到的电压信号进行码元判决，在得到的功率数据中判别出LED灯的 位置编码信息，码元判决模块包括电性连接的电压比较器和序列检测器，由于发射端发送〇 和1时对应LED灯的发光功率分别为两个不同的功率值，此时接收端也相应接收到不同的功 率，电压比较器中设定判决门限即电压阈值，该电压阈值与可判定接收到的是功率值为"0" 或"1"对应功率的功率阈值相对应，当电压信号大于电压阈值，对应的接收功率大于功率阈 值时，则判决此时接收到的码元为1，反之则为〇,序列检测器用于定位接收的一帧信号的帧 头，这样就能根据采样数据判别出LED灯的位置编码，经码元判决模块判决后得到LED灯的 编码信息直接发送给微处理器进行处理;6、时序控制单元，时序控制单元分别与AD采样模 块、RAM缓存单元和码元判决模块电性连接并且与微处理器进行信息交互，为连接的各模块 提供工作时钟，协调各模块的工作时序，包括控制AD采样模块的采样速率、RAM缓存单元的 读写操作以及码元判决的模块判决;7、微处理器，负责RSS算法的实现，首先从RAM缓存单元 中读取AD采样模块得到的数据，计算出实时的接收功率，然后再结合码元判决模块发送过 来的LED灯编码信息，计算出接收机的实时位置;8、SPI接口，SPI接口连接微处理器的输出 端，用于微处理器与外部设备之间的通信，将微处理器计算得到的实时位置信息发送给外 部设备，同时也能接收外部设备传来的配置信息。
[0022] 与现有技术相比，本发明提供的定位接收系统的优点在于：
[0023] (1)本发明提供的定位接收系统中，信号调理模块由前置跨阻放大电路、滤波电路 和主放大电路组成，将跨阻放大电路作为前置放大电路，对PIN光电二极管输入的信号进行 初步的低噪声放大，同时起到电流电压转换器的作用，将极其微弱的光电流信号转换放大 为电压信号，使得滤波电路和主放大电路处理的信号均为电压信号，降低后续信号处理难 度，从而提尚定位准确性；
[0024] (2)信号调理模块、AD采样模块、时序控制单元、RAM缓存单元、码元判决模块、微处 理器和SPI接口集成于一片FPGA中，极大地降低了系统的复杂度，提升了系统抗干扰能力并 且系统体积小，FPGA设计在线可编程的灵活性，可以方便的更改设计满足任何场合的需要， 通用性好、扩展性强；
[0025] (3)通过时序控制单元为定位接收系统内部模块提供工作时钟，协调各模块的工 作时序，使得该定位接收系统不需依托外部时序组件，可省略定位接收系统用于与外部时 序单元进行无线连接的组件，精简系统组成结构，降低系统成本。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明提供的基于LED照明的室内定位导航接收系统的结构框图。
[0027]图2为信号调理模块的跨阻型放大电路的电路图。
[0028]图3为信号调理模块的滤波电路的电路图。
[0029] 图4为信号调理模块的主放大电路的电路图。
[0030] 图5为AD采样模块的内部结构框图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图和实施例对本发明进项详细具体说明，本发明的内容不局限于以下 实施例。
[0032]如图1所示，本发明提供的基于LED照明的室内定位导航接收系统，包括光电探测 器、信号调理模块、AD采样模块、时序控制单元、RAM缓存单元、码元判决模块、微处理器和 SPI接口，光电探测器、信号调理模块和AD采样模块顺序连接；
[0033 ]光电探测器为PIN光电二极管，用于接收LED灯的光照并将其转化成电信号；
[0034]信号调理模块由低噪声前置放大电路、滤波电路和主放大电路组成，用于对光电 探测器输出的电流信号进行放大滤波处理，低噪声前置放大电路为跨阻型放大电路，参见 图2,外部PIN光电二极管转换产生的光电流信号进入到前置跨阻放大电路的输入端，由于 该电流极其微弱，通常为几十到几百微安，且电流信号不方便进行后续的信号处理，通过跨 阻放大电路作为前置放大电路，对PIN光电二极管输入的信号进行初步的低噪声放大，同时 起到电流电压转换器的作用，将极其微弱的光电流信号转换放大为电压信号，跨阻型放大 电路的放大倍数和带宽取决于芯片的外接电阻R1和电容C1的值，其中，带宽可由下面的式 子确定
，式中的GBW为运放的增益带宽积，Ct为运放输入端总的输入电 容;经过前置放大电路放大后的得到的电压信号VI进入图3所示的滤波电路中，滤波电路为 二阶巴特沃斯型有源高通滤波电路，滤波电路滤除信号中的低频噪声，滤波器的截止频率
其截止频率可通过芯片的外接电阻和电容来进行调整，高通滤波之后的信号V2 经由图4所示的主放大电路进行进一步的放大之后便得到了适合后续电路进行处理的电压 信号V3，主放大电路为反向比例放大电路，电压信号V3被直接送到AD采样模块中；
[0035] AD采样模块的输出端连接RAM缓存单元的输入端，AD采样模块用于对放大滤波后 的模拟信号（电压信号)进行采样，其内部结构如图5所示，采用的是逐次比较型A/D转换器， AD采样模块的位数为10位，采样频率大于10MHz，采样模块的模拟量输入端与信号调理电路 的输出端相连，参考电压由芯片外部电路提供，采样时钟由时序控制单元产生，采样之后的 数字量输出端直接与RAM缓存单元相连，采样数据被存入RAM缓存单元，等待微处理器进行 处理；
[0036] RAM缓存单元的输出端分别连接码元判决模块和微处理器，RAM缓存单元用于缓存 AD采样模块得到的数据，同时将数据传输至微处理器和码元判决模块中，RAM缓存单元的类 型为双口 SRAM;
[0037] 码元判决模块与RAM缓存单元相连，根据缓存在RAM中的AD采样数据进行码元判 决，由于LED室内定位系统当中，接收功率是不断变化的，且变化幅度较大，码元判决模块包 括电性连接的序列检测器和10位的高速并行电压比较器，由于发射端发送0和1时对应LED 灯的发光功率分别为两个不同的功率值，此时接收端也相应接收到不同的功率，电压比较 器中设定判决门限即电压阈值，该电压阈值与可判定接收到的是功率值为"〇"或"1"对应功 率的功率阈值相对应，当电压信号大于电压阈值，对应的接收功率大于功率阈值时，则判决 此时接收到的码元为1，反之则为0,序列检测器用于定位接收的一帧信号的帧头，码元判决 模块的的输出端连接微处理器的输入端，经码元判决模块判决后得到LED灯的编码信息直 接发送给微处理器进行处理；
[0038] 时序控制单元，时序控制单元分别与AD采样模块、RAM缓存单元和码元判决模块电 性连接并且与微处理器进行信息交互，为连接的各模块提供工作时钟，协调各模块的工作 时序，包括控制AD采样模块的采样速率、RAM缓存单元的读写操作以及码元判决的模块判 决，时序控制单元基于FPGA实现；
[0039]微处理器为基于FPGA的软核处理器，负责RSS算法的实现，首先从RAM缓存单元中 读取AD采样模块得到的数据，计算出实时的接收功率，然后再结合码元判决模块发送过来 的LED灯编码信息，计算出接收机的实时位置；
[0040] SPI接口连接微处理器的输出端，用于微处理器与外部设备之间的通信，将微处理 器计算得到的实时位置信息发送给外部设备，同时也能接收外部设备传来的配置信息，信 号调理模块、AD采样模块、时序控制单元、RAM缓存单元、码元判决模块、微处理器和SPI接口 集成于一片FPGA中。
【主权项】
1. 一种基于LED照明的室内定位导航接收系统，其特征在于:包括光电探测器、信号调 理模块、AD采样模块、时序控制单元、RAM缓存单元、码元判决模块、微处理器和SPI接口，光 电探测器、信号调理模块和AD采样模块顺序连接，AD采样模块的输出端连接RAM缓存单元的 输入端，RAM缓存单元的输出端分别连接码元判决模块和微处理器，码元判决模块的的输出 端连接微处理器的输入端，SPI接口连接微处理器的输出端，时序控制单元分别与AD采样模 块、RAM缓存单元和码元判决模块电性连接并且与微处理器进行信息交互;所述码元判决模 块包括电性连接的电压比较器和序列检测器。2. 根据权利要求1所述的基于LED照明的室内定位导航接收系统，其特征在于:所述信 号调理模块由低噪声前置放大电路、滤波电路和主放大电路组成。3. 根据权利要求2所述的基于LED照明的室内定位导航接收系统，其特征在于:所述低 噪声前置放大电路为跨阻型放大电路。4. 根据权利要求2所述的基于LED照明的室内定位导航接收系统，其特征在于:所述滤 波电路为二阶巴特沃斯型有源高通滤波电路。5. 根据权利要求2所述的基于LED照明的室内定位导航接收系统，其特征在于:所述主 放大电路为反向比例放大电路。6. 根据权利要求1所述的基于LED照明的室内定位导航接收系统，其特征在于:所述AD 采样模块的位数为10位，采样频率大于10MHz。7. 根据权利要求1所述的基于LED照明的室内定位导航接收系统，其特征在于:所述的 RAM缓存单元的类型为双口 SRAM。8. 根据权利要求1所述的基于LED照明的室内定位导航接收系统，其特征在于:所述光 电探测器为PIN光电二极管。9. 根据权利要求1所述的基于LED照明的室内定位导航接收系统，其特征在于:所述时 序控制单元基于FPGA实现。10. 根据权利要求1所述的基于LED照明的室内定位导航接收系统，其特征在于:所述信 号调理模块、AD采样模块、时序控制单元、RAM缓存单元、码元判决模块、微处理器和SPI接口 集成于一片FPGA中。
【文档编号】G01S5/16GK105891779SQ201610277863
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】王瑾, 邓松林, 吴让仲, 顾文君
【申请人】中国地质大学（武汉）