CN106023709B - 一种嵌入式通信导航教学平台及其导航方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种通信导航教学平台及其导航方法，基于FPGA和DSP嵌入式技术，能够实时采集卫星导航信号、基站导航信号以及光通信导航信号，并经过导航解算后，将输出的导航信息通过网络接口实时地发送给其他应用设备，适合于通信/导航领域教学科研、开发设计等人员使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种通信导航教学装置和方法，集软件、硬件于一体，可以显示、输出通信导航接收机内部中间信息，验证通信导航方法，有利于快速掌握通信导航接收机内部工作原理。本发明提供的教学实验平台，基于FPGA和DSP嵌入式技术，适合于通信/导航领域教学、科研、接收机开发、接收机芯片设计、完好性监测、应用系统开发等专业人员使用。
背景技术
通信导航平台通过接收机接收通信导航信号，如来自于多颗卫星的导航信号、无线通信基站发送的RSS I/通信信号、光通信导航站点发送的光通信信号等，接收机根据接收到的通信导航信号进行运算得到接收机位置。卫星导航系统由分布于不同轨道平面的多颗卫星组成，以保证在任何时间，应用范围内的任何地点都可以接收到多颗卫星的信号，比如对于现在运行的GPS系统，应用范围是全球，要保证全球任何地方、任何时间可以接收到至少四颗卫星的信号。卫星导航接收机就是接收卫星信号，并根据接收到的卫星信号经过运算，得到位置、时间、速度的装置。无线通信基站导航则是通过局部区域内发送、接收、处理无线通信信号如RSS I信号、通讯信号，得到接收机相对于无线基站的位置，进而确定无线接收机的绝对方位。光通信定位导航则是利用光波获取位置信息，通过确定接收机相对于位置已知点的相对距离，进而确定无线接收机的绝对方位。
针对上述组合通信导航系统小型化、低功耗、高精度的需求，提出一种基于DSP和FPGA的嵌入式通信导航教学平台，这种通信导航教学平台能够实时采集卫星导航信号、RSSI等无线基站信号以及光通信导航信号，并经过导航解算后，将输出的导航信息通过网络接口实时地发送给其他应用设备。本通信导航平台能够为学生提供开放式的实验环境，使学生能够在真实设备、真实导航信号环境下，将通信导航接收机的内部数据和运算过程输出显示，通过实验操作、数据分析、算法实现、软件编程，理解并掌握导航测距原理，掌握导航测量误差和信号传输误差特性，掌握实时导航计算方法，掌握其计算方法及应用特性，掌握导航位置及多普勒频移的预测方法等接收机核心技术。通过实验，使学生加深对导航系统结构、工作原理、工作过程的理解，掌握导航接收机核心算法和导航解算过程，能够同时验证、处理多种导航系统，主要特点是简单、通用、成本较低，有利于了解嵌入式结构、底层运作方式等，有利于增强教学效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于DSP和FPGA的嵌入式通信导航教学平台及其导航方法。
该平台包括如下部件：接收机、信号采集模块、逻辑控制模块、导航数据处理模块、程序固化模块、外部输入接口、显示装置。
本发明还提供了基于上述教学平台的导航方法，包括：根据用户输入选择方式，从卫星导航、基站导航和光导航中选择对应的导航模式，不同的导航模式对应不同的导航信号采集、处理方法，如果用户选择智能导航模式，则根据不同的外部环境和导航测距精度组合使用上述三种导航方式。
基于上述教学平台的导航方法，还可包括以下步骤：
1.根据用户输入导航指令，分别使用对应的第一模式、第二模式和第三模式进行导航，如果用户输入指令为智能导航或者超过一定时间未输入指令，则采用智能模式；用户输入导航指令包括模式控制指令，其包括第一模式、第二模式和第三模式、智能导航；
2.在智能导航模式下，接收机首先使用第一模式信号接收部件采集第一模式信号，如果第一模式信号采集时间小于预定阈值且信号质量大于预定阈值，则进入第一模式导航模式；在第一模式导航模式中随时监测外部输入接口输入的控制指令，根据用户输入的控制指令随时中断、切换当前导航模式，根据用户指令配置新的导航模式；
3.如果第一模式信号采集时间大于预定阈值或信号质量小于预定阈值，接收机采用第二模式信号接收部件采集第二模式信号，如果第二模式信号采集时间小于预定阈值且信号质量大于预定阈值，则进入第二模式导航模式；在第二模式导航模式中随时监测外部输入接口输入的控制指令和/或第一模式信号采集时间和信号质量，根据用户输入的控制指令随时中断、切换当前导航模式，根据用户指令配置新的导航模式；如果第一模式信号采集时间和信号质量改善，则提示用户是否切换导航模式。
4.如果第二模式信号采集时间大于预定阈值或信号质量小于预定阈值，接收机采用第三模式信号接收部件采集第三模式信号，如果第三模式信号采集时间小于预定阈值且信号质量大于预定阈值，则进入第三模式导航模式，否则进入混合模式导航模式；在第三模式导航模式中随时监测外部输入接口输入的控制指令和/或第一、第二模式信号采集时间和信号质量，根据用户输入的控制指令随时中断、切换当前导航模式，根据用户指令配置新的导航模式；如果第一或第二模式信号采集时间和信号质量改善，则提示用户是否切换导航模式。
5.在混合模式下，分别计算第一、第二、第三导航模式的定位导航精度，选取定位导航精度最好的导航数据，提供给用户，并注明相应的模式和定位导航数据和精度。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：1)体积小，重量轻，成本低，功耗小；2)使用DSP作为导航信息处理器，数据处理能力和实时性强，为后期软件开发提供了较好的平台；3)使用FPGA技术实现常用接口、控制电路功能，相对于传统电路和芯片，具有调整灵活、功能扩展方便的优势，可移植性好，易于升级；4)导航数据输出模块采用网络接口设计，具备端口的自动切换功能，可靠性高；5)为学生提供开放式的实验环境，使学生能够在真实设备、真实导航信号环境下，将通信导航接收机的内部数据和运算过程输出显示，通过实验操作、数据分析、算法实现、软件编程，理解并掌握导航测距原理，掌握导航测量误差和信号传输误差特性，掌握实时导航计算方法，掌握其计算方法及应用特性，掌握导航位置及多普勒频移的预测方法等接收机核心技术。
附图说明
图1是通信导航教学平台的结构图。
图2是平台导航流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域普通技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
通信导航教学平台，其特征在于包括如下部件：接收机、信号采集模块、逻辑控制模块、导航数据处理模块、程序固化模块、外部输入接口、显示装置。
其中，
接收机包括卫星信号接收机、基站信号接收机、光信号接收机；
信号采集模块包括卫星信号接收模块、基站信号接收模块和光信号接收模块；
逻辑控制模块包括FPGA、FPGA配置芯片，用于控制和管理基于DSP和FPGA的嵌入式导航信息处理器的外围逻辑电路，实现对接收机时间同步和逻辑运算处理；
逻辑控制模块还可控制导航模式，具体为：
1.根据用户输入导航指令，分别使用对应的第一模式、第二模式和第三模式进行导航，如果用户输入指令为智能导航或者超过一定时间未输入指令，则采用智能模式；用户输入导航指令包括模式控制指令，其包括第一模式、第二模式和第三模式、智能导航；
2.在智能导航模式下，接收机首先使用第一模式信号接收部件采集第一模式信号，如果第一模式信号采集时间小于预定阈值且信号质量大于预定阈值，则进入第一模式导航模式；在第一模式导航模式中随时监测外部输入接口输入的控制指令，根据用户输入的控制指令随时中断、切换当前导航模式，根据用户指令配置新的导航模式；
3.如果第一模式信号采集时间大于预定阈值或信号质量小于预定阈值，接收机采用第二模式信号接收部件采集第二模式信号，如果第二模式信号采集时间小于预定阈值且信号质量大于预定阈值，则进入第二模式导航模式；在第二模式导航模式中随时监测外部输入接口输入的控制指令和/或第一模式信号采集时间和信号质量，根据用户输入的控制指令随时中断、切换当前导航模式，根据用户指令配置新的导航模式；如果第一模式信号采集时间和信号质量改善，则提示用户是否切换导航模式。
4.如果第二模式信号采集时间大于预定阈值或信号质量小于预定阈值，接收机采用第三模式信号接收部件采集第三模式信号，如果第三模式信号采集时间小于预定阈值且信号质量大于预定阈值，则进入第三模式导航模式，否则进入混合模式导航模式；在第三模式导航模式中随时监测外部输入接口输入的控制指令和/或第一、第二模式信号采集时间和信号质量，根据用户输入的控制指令随时中断、切换当前导航模式，根据用户指令配置新的导航模式；如果第一、第二模式信号采集时间和信号质量改善，则提示用户是否切换导航模式。
5.在混合模式下，分别计算第一、第二、第三导航模式的定位导航精度，选取定位导航精度最好的导航数据，提供给用户，并注明相应的模式和定位导航数据和精度；
第一、第二、第三模式可以分别是卫星导航、基站导航和光通信导航方式中一种，用户可根据实际和不同导航模式的特点设置，还可加入新的导航模式和多种导航模式的混合模式。
在混合模式下，还可分别计算各种导航模式的定位导航精度，选取定位导航精度最好和较好的导航数据，分别同时提供给用户，并注明相应的模式和定位导航精度。
在混合模式下，还可同时提供所有模式的定位导航数据给用户，并注明相应的模式和定位导航精度。
导航数据处理模块包括DSP、FLASH、SDRAM等，用于提供数据处理的运算平台，满足组合导航算法的运行需求以及实现输入/输出数据的高速交换功能；导航数据处理模块的DSP通过EM I F与DSP外部的FLASH、SDRAM以及FPGA芯片连接，其通过内置的FPGA、专用以太网口接口芯片将导航解算后得出的导航信息通过网络接口实时地发送给其他应用设备。
程序固化模块包括串口通信模块以及DSP中的烧写模块，用于通过专门设计的固化程序，获取程序代码；程序固化模块通过口通信模块与外部设备连接，程序固化模块的实现方法是：当数据采集模块接收到有效的固化信号，DSP擦除FLSAH内存，待擦除完成后，给上位机发送FLASH擦除完毕信号；上位机接收到所述FLASH擦除完毕信号后，向导航信息处理部件发送有效的FLSAH固化数据文件，DSP烧写FLASH模块将收到的数据烧写到FLASH。
卫星信号接收机包括天线、基带处理部件，将信号放大、下变频、滤波。
基站信号接收机包括天线、射频信号处理部件，将信号变频、滤波。
光信号接收机包括光接口、光电转换部件、电压/电流处理部件，将信号滤波、放大。
信号采集模块使用AD/DA数字信号处理部件。
在导航数据处理模块有三路通信接口或一转三或分时采集通信接口：分别对应卫星信号、基站信号、光信号；可实时同时处理/按照一定次序分时处理以上三种信号。
导航数据处理模块中DSP例如可使用TMS320C6713B，TMS320C6713B是T I公司的C6000系列浮点DSP芯片；扩展外部ROM使用小扇区FLASH芯片SST39VF800A，用于保存系统程序代码。因不同容量的FLASH的封装和引脚是兼容的，电路设计时以最大容量1M-16b it的FLASH进行设计，也可以根据不同的需求来选配相应容量的FLASH，导航信息处理器上的实际配置为512K-16b it的SST39VF800A。FLASH被映射到TMS320C6713B的CE1存储空间，其读/写访问的速度为70ns。对FLASH的读/写只支持16位访问，字节地址为0x90000000～0x901FFFFF。由于FLASH是以16位进行访问的，所以对FLASH而言其物理地址以16位为单位进行编址，而程序中使用的逻辑地址是以字节为单位进行编址的，所以物理地址必须左移1位后作为DSP内部的逻辑地址使用；扩展外部RAM选用同步动态随机存储器芯片HY57V561620BLT。SDRAM被映射到DSP的CE0存储空间，工作频率为100MHz，支持8/16/32-位访问，容量为4Bank-4M-16Bit，字节地址为0x80000000～0x80FFFFFF。在对SDRAM进行读/写访问前，需通过EM IF的CE0控制寄存器CE0CTL将CE0空间配置为16位SDRAM存储器接口，及通过SDCTL、SDTIM、SDEXT等寄存器设置SDRAM的读/写时序和参数。
逻辑控制模块的实施方式是：采用FPGA实现译码器模块、同步模块、通用异步接收/发送器模块、异步F IFO存储器模块、网口芯片驱动模块；译码器模块、同步模块、通用异步接收/发送器模块、网口芯片驱动模块都由硬件描述语言实现，异步FI FO存储模块则调用QuartusⅡ软件中的I P软核实现；异步FI FO作为UART的数据缓冲器，它具有两组数据线而无地址线，可在其一端写操作而在另一端进行读操作。FPGA配置芯片用来存贮FPGA的信息。
外部输入接口可用于输入各种指令和外部程序，验证导航算法；还可用于人工干预程序执行过程，输入控制指令，包括键盘、语音输入装置等。
显示装置用于查看各种数据(内部数据、外部指令)和运算过程等。
本发明还涉及一种导航方法，包括以下步骤：
1.根据用户输入指令，分别使用对应的第一模式、第二模式和第三模式进行导航，如果用户输入指令为智能导航或者超过一定时间未输入指令，则采用智能模式；用户输入指令包括导航模式控制指令，其包括第一模式、第二模式和第三模式、智能导航；用户输入指令还包括情景控制指令，其包括室内环境、室外环境；
2.在智能导航模式下，接收机首先使用第一模式信号接收部件采集第一模式信号，如果第一模式信号采集时间小于预定阈值且信号质量大于预定阈值，则进入第一模式导航模式；在第一模式导航模式中随时监测外部输入接口输入的用户控制指令，根据用户输入的控制指令随时中断、切换当前导航模式，根据用户指令配置新的导航模式；
3.如果第一模式信号采集时间大于预定阈值或信号质量小于预定阈值，接收机采用第二模式信号接收部件采集第二模式信号，如果第二模式信号采集时间小于预定阈值且信号质量大于预定阈值，则进入第二模式导航模式；在第二模式导航模式中随时监测外部输入接口输入的控制指令和/或第一模式信号采集时间和信号质量，根据用户输入的控制指令随时中断、切换当前导航模式，根据用户指令配置新的导航模式；如果第一模式信号采集时间和信号质量改善，则提示用户是否切换导航模式。4.如果第二模式信号采集时间大于预定阈值或信号质量小于预定阈值，接收机采用第三模式信号接收部件采集第三模式信号，如果第三模式信号采集时间小于预定阈值且信号质量大于预定阈值，则进入第三模式导航模式，否则进入混合模式导航模式；在第三模式导航模式中随时监测外部输入接口输入的控制指令和/或第一、第二模式信号采集时间和信号质量，根据用户输入的控制指令随时中断、切换当前导航模式，根据用户指令配置新的导航模式；如果第一、第二模式信号采集时间和信号质量改善，则提示用户是否切换导航模式。
5.在混合模式下，分别计算第一、第二、第三导航模式的定位导航精度，选取定位导航精度最好的导航数据，提供给用户，并注明相应的模式和定位导航数据和精度；
第一、第二、第三模式可以分别是卫星导航、基站导航和光通信导航方式中一种，用户可根据实际和不同导航模式的特点设置，还可加入新的导航模式和多种导航模式的混合模式。
以上方法中，在混合模式下，还可同时提供所有模式的定位导航数据给用户，并注明相应的模式和定位导航精度。
以上方法中，第一、第二、第三模式可以分别是卫星导航、基站导航和光通信导航方式中一种，用户可根据实际和不同导航模式的特点设置，还可加入新的导航模式和多种导航模式的混合模式。
在上述方法中，如果用户输入室内环境的控制指令，则将导航模式设置为与室内导航相关的导航模式，如光通信导航和/或基站导航；如果用户输入室外环境的控制指令，则将导航模式设置为与室外导航相关的导航模式，如卫星导航和/或基站导航。
以上方法中，在混合模式下，还可分别计算各种导航模式的定位导航精度，选取定位导航精度最好和较好的导航数据，分别同时提供给用户，并注明相应的模式和定位导航精度。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (4)
1.一种嵌入式通信导航教学平台，其特征在于包括：
接收机、信号采集模块、逻辑控制模块、导航数据处理模块、程序固化模块、外部输入接口、显示装置；
其中，
接收机包括卫星信号接收机、基站信号接收机、光信号接收机；
信号采集模块包括卫星信号采集模块、基站信号采集模块和光信号采集模块；
逻辑控制模块包括FPGA、FPGA配置芯片，用于控制和管理基于DSP和FPGA的嵌入式导航信息处理单元的外围逻辑电路，实现对接收机时间同步和逻辑运算处理；
逻辑控制模块还控制导航模式，具体为：
1)根据用户输入指令，分别使用对应的第一导航模式、第二导航模式和第三导航模式进行导航，如果用户输入指令为智能导航或者超过一定时间未输入指令，则采用智能模式；用户输入指令包括导航模式控制指令，其包括第一导航模式、第二导航模式和第三导航模式、智能导航；用户输入指令还包括情景控制指令，其包括室内环境、室外环境；
2)在智能模式下，接收机首先使用第一导航模式信号接收部件采集第一导航模式信号，如果第一导航模式信号采集时间小于预定阈值且信号质量大于预定阈值，则进入第一导航模式；在第一导航模式中随时监测外部输入接口输入的用户控制指令，根据用户输入的控制指令随时中断、切换当前导航模式，根据用户指令配置新的导航模式；
3)如果第一导航模式信号采集时间大于预定阈值或信号质量小于预定阈值，接收机采用第二导航模式信号接收部件采集第二导航模式信号，如果第二导航模式信号采集时间小于预定阈值且信号质量大于预定阈值，则进入第二导航模式；在第二导航模式中随时监测外部输入接口输入的控制指令和/或第一导航模式信号采集时间和信号质量，根据用户输入的控制指令随时中断、切换当前导航模式，根据用户指令配置新的导航模式；如果第一导航模式信号采集时间和信号质量改善，则提示用户是否切换导航模式；
4)如果第二导航模式信号采集时间大于预定阈值或信号质量小于预定阈值，接收机采用第三导航模式信号接收部件采集第三导航模式信号，如果第三导航模式信号采集时间小于预定阈值且信号质量大于预定阈值，则进入第三导航模式，否则进入混合模式导航模式；在第三导航模式中随时监测外部输入接口输入的控制指令和/或第一/第二导航模式信号采集时间和信号质量，根据用户输入的控制指令随时中断、切换当前导航模式，根据用户指令配置新的导航模式；如果第一/第二导航模式信号采集时间和信号质量改善，则提示用户是否切换导航模式；
5)在混合模式下，分别计算第一、第二、第三导航模式的定位导航精度，选取定位导航精度最好的导航数据，提供给用户，并注明相应的模式和定位导航数据和精度。
2.如权利要求1所述的平台，其特征在于，第一、第二、第三导航模式分别是卫星导航、基站导航和光通信导航方式中一种。
3.如权利要求1所述的平台，其特征在于，如果用户输入室内环境的控制指令，则将导航模式设置为与室内导航相关的导航模式，如光通信导航和/或基站导航；如果用户输入室外环境的控制指令，则将导航模式设置为与室外导航相关的导航模式，如卫星导航和/或基站导航。
4.如权利要求1所述的平台，其特征在于，同时提供所有模式的定位导航数据给用户，并注明相应的模式和定位导航精度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180814 Termination date: 20210727 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |