CN106093860A - 一种led室内定位发射系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种LED室内定位发射系统，包括驱动单元、LED照明组件和供电模块，供电模块同时为LED照明组件和驱动单元供电；LED相关编码程序通过JTAG接口从上位机存储到程序存储器ROM中，当需要发射LED编码ID信息时，由中央控制器CPU从程序存储器ROM中取出程序，根据程序中LED的坐标信息通过编码电路模块对LED的坐标信息进行编码，然后把LED编码ID暂存到数据存储器RAM中，驱动电路模块将LED编码ID加载到LED灯上并且以功率的形式发射出去；驱动单元集成于一片FPGA芯片中，使用硬件描述语言Verilog HDL或VHDL进行编程，大大提高了系统的集成度和稳定性。

Description

一种LED室内定位发射系统
技术领域
本发明涉及一种LED室内定位发射系统，属于定位导航技术领域。
背景技术
目前，GPS是应用最广泛的定位系统，随着技术的飞速发展，其在室外的应用已相当成熟，人们可以利用该类系统方便的进行定位，并规划好出行路线。但是，由于建筑物的阻挡，其在室内的信号较弱甚至没有，导致在室内定位时具有较大的误差、甚至失效，因此不适用于室内定位。为了可以在室内进行精确定位，人们采用了WLAN、蓝牙、WIFI、红外线等定位技术。但是这些定位技术的稳定性、定位精度以及成本等方面不能完全满足用户的需求，而且在医院、飞机场等对电磁干扰要求较严格的场合，这些定位技术受到很大的限制。随着LED技术的发展，基于可见光通信的室内定位技术的优势和潜能得到了越来越多的关注。其具有绿色环保、定位精度高、无电磁干扰、使用场合广等优点。而研究该技术的高速发射技术可有效提高系统的性能。
LED室内定位技术利用可见光通信(VLC)技术，通过调制LED光源传输定位信息，是一种将照明和定位相结合的新型定位技术。目前的室内定位技术大多数采用基于距离的室内定位技术，而测量距离的方法有接收信号强度(RSS)、到达时间差(TDOA)、到达时间(TOA)、到达角度(AOA)等。AOA技术的成本较高，而TOA和TDOA技术难以实现，因此RSS技术是解决定位的方案之一，其实现过程如下：
(1)对每展LED灯所处的二维或三维空间坐标进行编码，并采用时分复用的方式加载到LED上。
(2)发射端通过LED驱动电路模块以开关键控的方式把定位信息加载到LED上，并以功率的形式发射到光信道中。
(3)待测点根据接收到的功率判决出LED灯发射的定位信息，根据朗伯模型计算待测点到至少三个参考点(LED)灯的距离，然后以测量出的待测点到三个参考点距离为半径作圆，三个圆的交点即为待测点的位置。
现有的采用RSS原理的室内定位技术的发射端大多数是采用分立元器件搭建的，因此导致系统不稳定，进一步导致定位精度下降，很难有更进一步的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，并提供一种用于LED室内定位技术的大电流、高频率发射系统，该发射系统可有效提高在RSS室内定位技术中使用的发射端的集成度，提高定位系统的稳定性及定位精度。
实现本发明目的所采用的技术方案为，一种LED室内定位发射系统，至少包括电性连接的驱动单元、LED照明组件和供电模块，供电模块同时为LED照明组件和驱动单元供电，所述驱动单元包括JTAG接口、程序存储器ROM、数据存储器RAM、编码电路模块、驱动电路模块、中央控制器和时钟模块，其中：
JTAG接口，连接中央控制器的输入端，为中央控制器与上位机进行信息交互的接口；
程序存储器ROM，与中央控制器信息交互，用于存储LED相关编码程序；
数据存储器RAM，与中央控制器信息交互，用于存储已经进行编码的定位信息，当需要发射定位信息时，中央控制器直接从数据存储器RAM中取出相关信息并加载到驱动电路模块上；
编码电路模块，连接中央控制器的输入端，用于将定位信息进行码型转换，并在码型转换后的定位信息上加上帧头和帧尾；
驱动电路模块，与中央控制器信息交互，用于将定位信息加载到LED照明组件上并且以功率的形式发射出去；
中央控制器，用于控制定位信息按照相关协议实时发送；
时钟模块，与编码电路模块电性连接并且连接中央控制器的输入端，用于提供工作时钟。
所述中央控制器控制定位信息按照时分复用协议实时发送。
所述编码电路模块采用曼彻斯特编码方式，且每帧采用22位编码，包含4位帧头、16位位置编码、1位奇偶校验位和1位停止位，16位位置编码包含8位横坐标编码和8位纵坐标编码，帧头和停止位分别表示数据帧的开始和结束。
所述编码电路模块接收定位信息后进行首先进行串并转换，加帧尾后再进行并串转换。
所述中央控制器和时钟模块均基于FPGA实现。
所述驱动单元集成于一片FPGA芯片中。
所述驱动电路模块采用开关键控的调制方式，驱动电路模块的发射速率大于1Mbps。
所述驱动电路模块为由运算放大器和功率三极管构成的闭环反馈电路。
所述LED照明组件包括2盏以上LED灯，驱动电路模块的输出端连接各LED灯，运算放大器的反相输入端串接有大功率电阻R。
驱动电路模块的输出信号包括高电平和低电平，分别对应LED灯的两个发射功率。
由上述技术方案可知，本发明提供的LED室内定位发射系统，主体包括电性连接的驱动单元、LED照明组件和供电模块，供电模块同时为LED照明组件和驱动电路模块供电，驱动单元为该发射系统的控制核心，LED照明组件为执行单元，按照时分复用协议以大于1Mbps的速率实时发送定位信息；驱动单元包括JTAG接口、程序存储器ROM、数据存储器RAM、编码电路模块、驱动电路模块、中央控制器和时钟模块，LED相关编码程序通过JTAG接口从上位机存储到程序存储器ROM中，当需要发射LED编码ID信息时，由中央控制器CPU从程序存储器ROM中取出程序，根据程序中LED的坐标信息通过编码电路模块对LED的坐标信息进行编码，然后把LED编码ID暂存到数据存储器RAM中，由驱动电路模块控制LED照明组件中的LED灯发出LED编码ID；驱动单元集成于一片FPGA芯片中，使用硬件描述语言Verilog HDL或VHDL进行编程，大大提高了系统的集成度和稳定性。
由于本方案设计的LED照明组件采用时分复用的通信方式，且采用曼彻斯特编码，因此针对此种编码方式设计了专门的编码电路，本发明中LED发送的定位信息数据帧每帧设计了22位，包括4位帧头、8位横坐标、8位纵坐标、1位奇偶校验位和1位停止位，其中横坐标和纵坐标采用的是曼彻斯特编码；4位帧头在此有两方面的作用，一方面帧头与数据正文(16位位置编码)具有不重复的作用，当判断出接收到帧头后，即表示下面接收到的数据为定位位置信息；由于本发明设计驱动电路模块的输出信号为高电平和低电平，高电平和低电平分别对应LED灯的两个发射功率，即各LED灯的发射功率不同，因此4位帧头另一方面的作用是接收端根据接收到的帧头的功率的大小，以此作为判决，判断出数据正文定位信息是高电平还是低电平；奇偶校验位的作用是用于判断接收到的数据是否正确，如果接收错误则丢弃此帧；停止位表示此帧结束，同时还可以起到帧与帧隔离的作用；而根据实际的需要，数据正文即LED灯的坐标也可以采用三维坐标来传输定位信息，在此首先CPU从程序存储器ROM中取出程序，根据程序中LED的坐标信息，通过伪随机序列发生器后，对定位信息其进行串并转换后，对坐标进行曼彻斯特编码，加上帧头、奇偶校验位以及停止位后，最后对其进行并串转换后输出。
驱动电路模块可以驱动大电流LED，把定位信息加载到LED上，以功率的形式发射出去，同时控制定位信息以大于1Mbps的速率传送；驱动电路模块采用由运算放大器和功率三极管构成的闭环反馈电路，为恒流电路，属于电流串联负反馈的拓扑结构，可以使输出的电流更加稳定，进一步稳定输出的功率，其中LED为负载，运算放大器的反相输入端上连接大功率电阻R，在对LED限流的同时，在反馈回路中起到采样的作用；为了对输出电流实现两种电流值的控制，在没有信号输入时运算放大器的同相输入端由静态电压供电，使LED工作在低功率值，在有控制信号输入时，运算放大器的同相输入端引入由控制器输出的电压信号，使LED工作在高功率值。
本发明采用的是开关键控的方式，即直接让LED以功率代表定位信息的形式发射到自由空间中，可大大提高LED室内定位发射系统的集成度，同时大幅度降低了成本，可以广泛的应用在基于RSS(Received signal strength)技术的LED室内定位系统中。
附图说明
图1为本发明提供的LED室内定位发射系统的结构框图。
图2为编码电路模块的编码流程框图。
图3为驱动电路模块的电路图。
图4为供电模块的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。
参见图1，本发明提供的LED室内定位发射系统，包括电性连接的驱动单元、LED照明组件和供电模块，LED照明组件包括2盏以上LED灯，各LED灯构成多个N行N列的LED灯阵列，N≥2，LED照明组件为由多个LED灯阵列扩展构成m行n列的宫格单元拓扑组网结构，供电模块同时为LED照明组件和驱动单元供电，驱动单元集成于一块FPGA芯片上，使用硬件描述语言Verilog HDL或VHDL进行编程，参见图4，供电模块为驱动单元供电时其内部进行电压转换，将220V市电转化为FPGA芯片工作的基准电压VCC；
所述驱动单元具体包括JTAG接口、程序存储器ROM、数据存储器RAM、编码电路模块、驱动电路模块、中央控制器和时钟模块，其中：
中央控制器，用于控制定位信息按照时分复用协议实时发送；
时钟模块，与编码电路模块电性连接并且连接中央控制器的输入端，用于提供工作时钟；
JTAG接口，连接中央控制器的输入端，为中央控制器与上位机进行信息交互的接口，通过此接口把LED相关ID数据的编码程序存储到程序存储器ROM中；
程序存储器ROM，与中央控制器信息交互，用于存储LED相关编码程序，当从程序存储器ROM中取出LED相关编码程序中的LED坐标信息时，经过编码电路模块进行编码后，把相关的编码数据暂存到数据存储器RAM中；
数据存储器RAM，与中央控制器信息交互，用于存储已经进行编码的定位信息，当需要发射定位信息时，直接从数据存储器RAM中取出相关信息并加载到LED驱动电路模块上，数据存储器RAM可以进行数据高速存储和取出，可以使定位信息实时发送；
编码电路模块，连接中央控制器的输入端，用于将定位信息进行码型转换，并在码型转换后的定位信息上加上帧头和帧尾；编码电路模块采用曼彻斯特编码方式，且每帧采用22位编码，包含4位帧头、16位位置编码、1位奇偶校验位和1位停止位，16位位置编码包含8位横坐标编码和8位纵坐标编码，帧头和停止位分别表示数据帧的开始和结束，参见图2，编码时首先中央控制器CPU从程序存储器ROM中取出程序，根据程序中LED的坐标信息，通过伪随机序列发生器后，对定位信息其进行串并转换，随后对坐标进行曼彻斯特编码，加上帧头、奇偶校验位以及停止位后，最后对其进行并串转换并输出；
驱动电路模块，与中央控制器信息交互，用于将定位信息加载到LED上并且以功率的形式发射出去；驱动电路模块采用开关键控的调制方式，驱动电路模块的发射速率大于1Mbps，采用运算放大器加功率三极管为核心的恒流电路，运算放大器的反相输入端串接有大功率电阻R，参见图3，电阻R8即为大功率电阻R，电阻R8上串接电阻R5并且并接电阻R6，该电路属于电流串联负反馈的拓扑结构，可以使输出的电流更加稳定，进一步稳定输出的功率，其中LED为负载，R5和R6为采样电阻，通过对R5和R6进行采样反映出R8的端电压变化，从而达到检测LED灯功率变化的目的，R8(即大功率电阻R)在回路中的作用一是起到限流的作用，此外也可直接对R8的电压波形进行采样达到检测高低电平的目的，因而R8(即大功率电阻R)也可作为采样电阻，为了对输出电流实现两种电流值的控制，驱动电路模块的输出信号包括高电平和低电平，在没有信号输入时运算放大器的同相输入端由静态电压VCC供电，使LED工作在低功率值(约为3W)，在有控制信号输入时，运算放大器的同相输入端引入由控制器输出的电压信号，此时的同相输入端的输入信号有VCC部分和引入的电压信号部分，使LED工作在高功率值(约为5W)，电路工作在深度负反馈，经分析其输出电流驱动电路模块的输出端连接各LED灯。

Claims (10)

1.一种LED室内定位发射系统，至少包括电性连接的驱动单元、LED照明组件和供电模块，供电模块同时为LED照明组件和驱动单元供电，其特征在于：所述驱动单元包括JTAG接口、程序存储器ROM、数据存储器RAM、编码电路模块、驱动电路模块、中央控制器和时钟模块，其中，
JTAG接口，连接中央控制器的输入端，为中央控制器与上位机进行信息交互的接口；
程序存储器ROM，与中央控制器信息交互，用于存储LED相关编码程序；
数据存储器RAM，与中央控制器信息交互，用于存储已经进行编码的定位信息，当需要发射定位信息时，中央控制器直接从数据存储器RAM中取出相关信息并加载到驱动电路模块上；
编码电路模块，连接中央控制器的输入端，用于将定位信息进行码型转换，并在码型转换后的定位信息上加上帧头和帧尾；
驱动电路模块，与中央控制器信息交互，用于将定位信息加载到LED照明组件上并且以功率的形式发射出去；
中央控制器，用于控制定位信息按照相关协议实时发送；
时钟模块，与编码电路模块电性连接并且连接中央控制器的输入端，用于提供工作时钟。
2.根据权利要求1所述的LED室内定位发射系统，其特征在于：所述中央控制器控制定位信息按照时分复用协议实时发送。
3.根据权利要求2所述的LED室内定位发射系统，其特征在于：所述编码电路模块采用曼彻斯特编码方式，且每帧采用22位编码，包含4位帧头、16位位置编码、1位奇偶校验位和1位停止位，16位位置编码包含8位横坐标编码和8位纵坐标编码，帧头和停止位分别表示数据帧的开始和结束。
4.根据权利要求2所述的LED室内定位发射系统，其特征在于：所述编码电路模块接收定位信息后进行首先进行串并转换，加帧尾后再进行并串转换。
5.根据权利要求1所述的LED室内定位发射系统，其特征在于：所述中央控制器和时钟模块均基于FPGA实现。
6.根据权利要求5所述的LED室内定位发射系统，其特征在于：所述驱动单元集成于一片FPGA芯片中。
7.根据权利要求1所述的LED室内定位发射系统，其特征在于：所述驱动电路模块采用开关键控的调制方式，驱动电路模块的发射速率大于1Mbps。
8.根据权利要求1所述的LED室内定位发射系统，其特征在于：所述驱动电路模块为由运算放大器和功率三极管构成的闭环反馈电路。
9.根据权利要求8所述的LED室内定位发射系统，其特征在于：所述LED照明组件包括2盏以上LED灯，驱动电路模块的输出端连接各LED灯，运算放大器的反相输入端串接有大功率电阻R。
10.根据权利要求9所述的LED室内定位发射系统，其特征在于：驱动电路模块的输出信号包括高电平和低电平，分别对应LED灯的两个发射功率。
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