一種嵌入式通信導航教學平臺及其導航方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種通信導航教學平臺及其導航方法，基于FPGA和DSP嵌入式技術，能夠實時采集衛(wèi)星導航信號、基站導航信號以及光通信導航信號，并經過導航解算后，將輸出的導航信息通過網絡接口實時地發(fā)送給其他應用設備，適合于通信/導航領域教學科研、開發(fā)設計等人員使用。
【專利說明】
一種嵌入式通信導航教學平臺及其導航方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種通信導航教學裝置和方法，集軟件、硬件于一體，可以顯示、輸出通信導航接收機內部中間信息，驗證通信導航方法，有利于快速掌握通信導航接收機內部工作原理。本發(fā)明提供的教學實驗平臺，基于FPGA和DSP嵌入式技術，適合于通信/導航領域教學、科研、接收機開發(fā)、接收機芯片設計、完好性監(jiān)測、應用系統(tǒng)開發(fā)等專業(yè)人員使用。
【背景技術】
[0002]通信導航平臺通過接收機接收通信導航信號，如來自于多顆衛(wèi)星的導航信號、無線通信基站發(fā)送的RSSI/通信信號、光通信導航站點發(fā)送的光通信信號等，接收機根據接收到的通信導航信號進行運算得到接收機位置。衛(wèi)星導航系統(tǒng)由分布于不同軌道平面的多顆衛(wèi)星組成，以保證在任何時間，應用范圍內的任何地點都可以接收到多顆衛(wèi)星的信號，比如對于現(xiàn)在運行的GPS系統(tǒng)，應用范圍是全球，要保證全球任何地方、任何時間可以接收到至少四顆衛(wèi)星的信號。衛(wèi)星導航接收機就是接收衛(wèi)星信號，并根據接收到的衛(wèi)星信號經過運算，得到位置、時間、速度的裝置。無線通信基站導航則是通過局部區(qū)域內發(fā)送、接收、處理無線通信信號如RSSI信號、通訊信號，得到接收機相對于無線基站的位置，進而確定無線接收機的絕對方位。光通信定位導航則是利用光波獲取位置信息，通過確定接收機相對于位置已知點的相對距離，進而確定無線接收機的絕對方位。
[0003]針對上述組合通信導航系統(tǒng)小型化、低功耗、高精度的需求，提出一種基于DSP和FPGA的嵌入式通信導航教學平臺，這種通信導航教學平臺能夠實時采集衛(wèi)星導航信號、RSSI等無線基站信號以及光通信導航信號，并經過導航解算后，將輸出的導航信息通過網絡接口實時地發(fā)送給其他應用設備。本通信導航平臺能夠為學生提供開放式的實驗環(huán)境，使學生能夠在真實設備、真實導航信號環(huán)境下，將通信導航接收機的內部數據和運算過程輸出顯示，通過實驗操作、數據分析、算法實現(xiàn)、軟件編程，理解并掌握導航測距原理，掌握導航測量誤差和信號傳輸誤差特性，掌握實時導航計算方法，掌握其計算方法及應用特性，掌握導航位置及多普勒頻移的預測方法等接收機核心技術。通過實驗，使學生加深對導航系統(tǒng)結構、工作原理、工作過程的理解，掌握導航接收機核心算法和導航解算過程，能夠同時驗證、處理多種導航系統(tǒng)，主要特點是簡單、通用、成本較低，有利于了解嵌入式結構、底層運作方式等，有利于增強教學效果。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種基于DSP和FPGA的嵌入式通信導航教學平臺及其導航方法。
[0005]該平臺包括如下部件:接收機、信號采集模塊、邏輯控制模塊、導航數據處理模塊、程序固化模塊、外部輸入接口、顯示裝置。
[0006]本發(fā)明還提供了基于上述教學平臺的導航方法，包括:根據用戶輸入選擇方式，從衛(wèi)星導航、基站導航和光導航中選擇對應的導航模式，不同的導航模式對應不同的導航信號采集、處理方法，如果用戶選擇智能導航模式，則根據不同的外部環(huán)境和導航測距精度組合使用上述三種導航方式。
[0007]基于上述教學平臺的導航方法，還可包括以下步驟:
[0008]1.根據用戶輸入導航指令，分別使用對應的第一模式、第二模式和第三模式進行導航，如果用戶輸入指令為智能導航或者超過一定時間未輸入指令，則采用智能模式;用戶輸入導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、智能導航；
[0009]2.在智能導航模式下，接收機首先使用第一模式信號接收部件采集第一模式信號，如果第一模式信號采集時間小于預定閾值且信號質量大于預定閾值，則進入第一模式導航模式;在第一模式導航模式中隨時監(jiān)測外部輸入接口輸入的控制指令，根據用戶輸入的控制指令隨時中斷、切換當前導航模式，根據用戶指令配置新的導航模式；
[0010]3.如果第一模式信號采集時間大于預定閾值或信號質量小于預定閾值，接收機采用第二模式信號接收部件采集第二模式信號，如果第二模式信號采集時間小于預定閾值且信號質量大于預定閾值，則進入第二模式導航模式;在第二模式導航模式中隨時監(jiān)測外部輸入接口輸入的控制指令和/或第一模式信號接收時間和信號質量，根據用戶輸入的控制指令隨時中斷、切換當前導航模式，根據用戶指令配置新的導航模式;如果第一模式信號接收時間和信號質量改善，則提示用戶是否切換導航模式。
[0011]4.如果第二模式信號采集時間大于預定閾值或信號質量小于預定閾值，接收機采用第三模式信號接收部件采集第三模式信號，如果第三模式信號采集時間小于預定閾值且信號質量大于預定閾值，則進入第三模式導航模式，否則進入混合模式導航模式;在第三模式導航模式中隨時監(jiān)測外部輸入接口輸入的控制指令和/或第一、第二模式信號接收時間和信號質量，根據用戶輸入的控制指令隨時中斷、切換當前導航模式，根據用戶指令配置新的導航模式;如果第一或第二模式信號接收時間和信號質量改善，則提示用戶是否切換導航模式。
[0012]5.在混合模式下，分別計算第一、第二、第三導航模式的定位導航精度，選取定位導航精度最好的導航數據，提供給用戶，并注明相應的模式和定位導航數據和精度。
[0013]本發(fā)明采用上述技術方案，具有以下有益效果:I)體積小，重量輕，成本低，功耗小；2)使用DSP作為導航信息處理器，數據處理能力和實時性強，為后期軟件開發(fā)提供了較好的平臺；3)使用FPGA技術實現(xiàn)常用接口、控制電路功能，相對于傳統(tǒng)電路和芯片，具有調整靈活、功能擴展方便的優(yōu)勢，可移植性好，易于升級;4)導航數據輸出模塊采用網絡接口設計，具備端口的自動切換功能，可靠性高;5)為學生提供開放式的實驗環(huán)境，使學生能夠在真實設備、真實導航信號環(huán)境下，將通信導航接收機的內部數據和運算過程輸出顯示，通過實驗操作、數據分析、算法實現(xiàn)、軟件編程，理解并掌握導航測距原理，掌握導航測量誤差和信號傳輸誤差特性，掌握實時導航計算方法，掌握其計算方法及應用特性，掌握導航位置及多普勒頻移的預測方法等接收機核心技術。
【附圖說明】
[0014]圖1是通信導航教學平臺的結構圖。
[0015]圖2是平臺導航流程圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領域普通技術人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
[0017]通信導航教學平臺，其特征在于包括如下部件:接收機、信號采集模塊、邏輯控制模塊、導航數據處理模塊、程序固化模塊、外部輸入接口、顯示裝置。
[0018]其中，
[0019]接收機包括衛(wèi)星信號接收機、基站信號接收機、光信號接收機；
[0020]信號采集模塊包括衛(wèi)星信號接收模塊、基站信號接收模塊和光信號接收模塊；
[0021 ] 邏輯控制模塊包括FPGA、FPGA配置芯片，用于控制和管理基于DSP和FPGA的嵌入式導航信息處理器的外圍邏輯電路，實現(xiàn)對接收機時間同步和邏輯運算處理；
[0022]邏輯控制模塊還可控制導航模式，具體為:
[0023]1.根據用戶輸入導航指令，分別使用對應的第一模式、第二模式和第三模式進行導航，如果用戶輸入指令為智能導航或者超過一定時間未輸入指令，則采用智能模式;用戶輸入導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、智能導航；
[0024]2.在智能導航模式下，接收機首先使用第一模式信號接收部件采集第一模式信號，如果第一模式信號采集時間小于預定閾值且信號質量大于預定閾值，則進入第一模式導航模式;在第一模式導航模式中隨時監(jiān)測外部輸入接口輸入的控制指令，根據用戶輸入的控制指令隨時中斷、切換當前導航模式，根據用戶指令配置新的導航模式；
[0025]3.如果第一模式信號采集時間大于預定閾值或信號質量小于預定閾值，接收機采用第二模式信號接收部件采集第二模式信號，如果第二模式信號采集時間小于預定閾值且信號質量大于預定閾值，則進入第二模式導航模式;在第二模式導航模式中隨時監(jiān)測外部輸入接口輸入的控制指令和/或第一模式信號接收時間和信號質量，根據用戶輸入的控制指令隨時中斷、切換當前導航模式，根據用戶指令配置新的導航模式;如果第一模式信號接收時間和信號質量改善，則提示用戶是否切換導航模式。
[0026]4.如果第二模式信號采集時間大于預定閾值或信號質量小于預定閾值，接收機采用第三模式信號接收部件采集第三模式信號，如果第三模式信號采集時間小于預定閾值且信號質量大于預定閾值，則進入第三模式導航模式，否則進入混合模式導航模式;在第三模式導航模式中隨時監(jiān)測外部輸入接口輸入的控制指令和/或第一、第二模式信號接收時間和信號質量，根據用戶輸入的控制指令隨時中斷、切換當前導航模式，根據用戶指令配置新的導航模式;如果第一、第二模式信號接收時間和信號質量改善，則提示用戶是否切換導航模式。
[0027]5.在混合模式下，分別計算第一、第二、第三導航模式的的定位導航精度，選取定位導航精度最好的導航數據，提供給用戶，并注明相應的模式和定位導航數據和精度；
[0028]第一、第二、第三模式可以分別是衛(wèi)星導航、基站導航和光通信導航方式中一種，用戶可根據實際和不同導航模式的特點設置，還可加入新的導航模式和多種導航模式的混合模式。
[0029]在混合模式下，還可分別計算各種導航模式的的定位導航精度，選取定位導航精度最好和較好的導航數據，分別同時提供給用戶，并注明相應的模式和定位導航精度。
[0030]在混合模式下，還可同時提供所有模式的定位導航數據給用戶，并注明相應的模式和定位導航精度。
[0031]在混合模式下，如果所有模式或其中兩種模式的導航數據均不符合預定的要求，則根據一定算法將精度較好的導航數據進行處理，將處理后的數據提供給用戶，并注明是混合處理數據；
[0032]導航數據處理模塊包括DSP、FLASH、SDRAM等，用于提供數據處理的運算平臺，滿足組合導航算法的運行需求以及實現(xiàn)輸入/輸出數據的高速交換功能；導航數據處理模塊的DSP通過EMIF與DSP外部的FLASH、SDRAM以及FPGA芯片連接，其通過內置的FPGA、專用以太網口接口芯片將導航解算后得出的導航信息通過網絡接口實時地發(fā)送給其他應用設備。
[0033]程序固化模塊包括串口通信模塊以及DSP中的燒寫模塊，用于通過專門設計的固化程序，獲取程序代碼;程序固化模塊通過口通信模塊與外部設備連接，程序固化模塊的實現(xiàn)方法是:當數據采集模塊接收到有效的固化信號，DSP擦除FLSAH內存，待擦除完成后，給上位機發(fā)送FLASH擦除完畢信號;上位機接收到所述FLASH擦除完畢信號后，向導航信息處理部件發(fā)送有效的FLSAH固化數據文件，DSP燒寫FLASH模塊將收到的數據燒寫到FLASH。
[0034]衛(wèi)星信號接收機包括天線、基帶處理部件，將信號放大、下變頻、濾波。
[0035]基站信號接收機包括天線、射頻信號處理部件，將信號變頻、濾波。
[0036]光信號接收機包括光接口、光電轉換部件、電壓/電流處理部件，將信號濾波、放大。
[0037]信號采集模塊使用AD/DA數字信號處理部件。
[0038]在導航數據處理模塊有三路通信接口或一轉三或分時采集通信接口:分別對應衛(wèi)星信號、基站信號、光信號;可實時同時處理/按照一定次序分時處理以上三種信號。
[0039]導航數據處理模塊中DSP例如可使用TMS320C6713B，TMS320C6713B是TI公司的C6000系列浮點DSP芯片;擴展外部ROM使用小扇區(qū)FLASH芯片SST39VF800A，用于保存系統(tǒng)程序代碼。因不同容量的FLASH的封裝和引腳是兼容的，電路設計時以最大容量1M-16bit的FLASH進行設計，也可以根據不同的需求來選配相應容量的FLASH，導航信息處理器上的實際配置為512K-16bit的SST39VF800ATLASH被映射到TMS320C6713B的CEl存儲空間，其讀/寫訪問的速度為70ns。對FLASH的讀/寫只支持16位訪問，字節(jié)地址為0x90000000?0x90IFFFFF。由于FLASH是以16位進行訪問的，所以對FLASH而言其物理地址以16位為單位進行編址，而程序中使用的邏輯地址是以字節(jié)為單位進行編址的，所以物理地址必須左移I位后作為DSP內部的邏輯地址使用；擴展外部RAM選用同步動態(tài)隨機存儲器芯片HY57V561620BLTC3SDRAM被映射到DSP的CEO存儲空間，工作頻率為10MHz，支持8/16/32-位訪問，容量為4Bank-4M-l6Bi t，字節(jié)地址為0x80000000?0x80FFFFFF。在對SDRAM進行讀/寫訪問前，需通過EMIF的CEO控制寄存器CEOCTL將CEO空間配置為16位SDRAM存儲器接口，及通過SDCTL、SDHM、SDEXT等寄存器設置SDRAM的讀/寫時序和參數。
[0040]邏輯控制模塊的實施方式是:采用FPGA實現(xiàn)譯碼器模塊、同步模塊、通用異步接收/發(fā)送器模塊、異步FIFO存儲器模塊、網口芯片驅動模塊;譯碼器模塊、同步模塊、通用異步接收/發(fā)送器模塊、網口芯片驅動模塊都由硬件描述語言實現(xiàn)，異步FIFO存儲模塊則調用Quartus Π軟件中的IP軟核實現(xiàn);異步FIFO作為UART的數據緩沖器，它具有兩組數據線而無地址線，可在其一端寫操作而在另一端進行讀操作。FPGA配置芯片用來存貯FPGA的信息。
[0041]外部輸入接口可用于輸入各種指令和外部程序，驗證導航算法;還可用于人工干預程序執(zhí)行過程，輸入控制指令，包括鍵盤、語音輸入裝置等。
[0042]顯示裝置用于查看各種數據(內部數據、外部指令)和運算過程等。
[0043 ]本發(fā)明還涉及一種導航方法，包括以下步驟:
[0044]1.根據用戶輸入指令，分別使用對應的第一模式、第二模式和第三模式進行導航，如果用戶輸入指令為智能導航或者超過一定時間未輸入指令，則采用智能模式；用戶輸入指令包括導航模式控制指令，其包括第一模式、第二模式和第三模式、智能導航；用戶輸入指令還包括情景控制指令，其包括室內環(huán)境、室外環(huán)境；
[0045]2.在智能導航模式下，接收機首先使用第一模式信號接收部件采集第一模式信號，如果第一模式信號采集時間小于預定閾值且信號質量大于預定閾值，則進入第一模式導航模式;在第一模式導航模式中隨時監(jiān)測外部輸入接口輸入的用戶控制指令，根據用戶輸入的控制指令隨時中斷、切換當前導航模式，根據用戶指令配置新的導航模式；
[0046]3.如果第一模式信號采集時間大于預定閾值或信號質量小于預定閾值，接收機采用第二模式信號接收部件采集第二模式信號，如果第二模式信號采集時間小于預定閾值且信號質量大于預定閾值，則進入第二模式導航模式;在第二模式導航模式中隨時監(jiān)測外部輸入接口輸入的控制指令和/或第一模式信號接收時間和信號質量，根據用戶輸入的控制指令隨時中斷、切換當前導航模式，根據用戶指令配置新的導航模式;如果第一模式信號接收時間和信號質量改善，則提示用戶是否切換導航模式；
[0047]4.如果第二模式信號采集時間大于預定閾值或信號質量小于預定閾值，接收機采用第三模式信號接收部件采集第三模式信號，如果第三模式信號采集時間小于預定閾值且信號質量大于預定閾值，則進入第三模式導航模式，否則進入混合模式導航模式;在第三模式導航模式中隨時監(jiān)測外部輸入接口輸入的控制指令和/或第一、第二模式信號接收時間和信號質量，根據用戶輸入的控制指令隨時中斷、切換當前導航模式，根據用戶指令配置新的導航模式;如果第一、第二模式信號接收時間和信號質量改善，則提示用戶是否切換導航模式；
[0048]5.在混合模式下，分別計算第一、第二、第三導航模式的的定位導航精度，選取定位導航精度最好的導航數據，提供給用戶，并注明相應的模式和定位導航數據和精度。
[0049]第一、第二、第三模式可以分別是衛(wèi)星導航、基站導航和光通信導航方式中一種，用戶可根據實際和不同導航模式的特點設置，還可加入新的導航模式和多種導航模式的混合模式。
[0050]以上方法中，在混合模式下，還可同時提供所有模式的定位導航數據給用戶，，并注明相應的模式和定位導航精度。
[0051]以上方法中，在混合模式下，如果所有模式或其中兩種模式的導航數據均不符合預定的要求，則根據一定算法將精度較好的導航數據進行處理，將處理后的數據提供給用戶，并注明是混合處理數據。
[0052]以上方法中，第一、第二、第三模式可以分別是衛(wèi)星導航、基站導航和光通信導航方式中一種，用戶可根據實際和不同導航模式的特點設置，還可加入新的導航模式和多種導航模式的混合模式。
[0053]在上述方法中，如果用戶輸入室內環(huán)境的控制指令，則將導航模式設置為與室內導航相關的導航模式，如光通信導航和/或基站導航;如果用戶輸入室外環(huán)境的控制指令，則將導航模式設置為與室外導航相關的導航模式，如衛(wèi)星導航和/或基站導航。
[0054]以上方法中，在混合模式下，還可分別計算各種導航模式的的定位導航精度，選取定位導航精度最好和較好的導航數據，分別同時提供給用戶，并注明相應的模式和定位導航精度。
[0055]以上方法中，在混合模式下，如果所有模式或其中兩種模式的導航數據均不符合預定的要求，則根據一定算法將精度較好的導航數據進行處理，將處理后的數據提供給用戶，并注明是混合處理數據。
[0056]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。
【主權項】
1.一種嵌入式通信導航教學平臺，其特征在于包括: 接收機、信號采集模塊、邏輯控制模塊、導航數據處理模塊、程序固化模塊、外部輸入接口、顯示裝置等； 其中， 接收機包括衛(wèi)星信號接收機、基站信號接收機、光信號接收機； 信號采集模塊包括衛(wèi)星信號采集模塊、基站信號采集模塊和光信號采集模塊； 邏輯控制模塊包括FPGA、FPGA配置芯片，用于控制和管理基于DSP和FPGA的嵌入式導航信息處理單元的外圍邏輯電路，實現(xiàn)對接收機時間同步和邏輯運算處理； 邏輯控制模塊還控制導航模式，具體為: 1)根據用戶輸入指令，分別使用對應的第一模式、第二模式和第三模式進行導航，如果用戶輸入指令為智能導航或者超過一定時間未輸入指令，則采用智能模式；用戶輸入指令包括導航模式控制指令，其包括第一模式、第二模式和第三模式、智能導航；用戶輸入指令還包括情景控制指令，其包括室內環(huán)境、室外環(huán)境； 2)在智能模式下，接收機首先使用第一模式信號接收部件采集第一模式信號，如果第一模式信號采集時間小于預定閾值且信號質量大于預定閾值，則進入第一模式導航模式；在第一模式導航模式中隨時監(jiān)測外部輸入接口輸入的用戶控制指令，根據用戶輸入的控制指令隨時中斷、切換當前導航模式，根據用戶指令配置新的導航模式； 3)如果第一模式信號采集時間大于預定閾值或信號質量小于預定閾值，接收機采用第二模式信號接收部件采集第二模式信號，如果第二模式信號采集時間小于預定閾值且信號質量大于預定閾值，則進入第二模式導航模式;在第二模式導航模式中隨時監(jiān)測外部輸入接口輸入的控制指令和/或第一模式信號接收時間和信號質量，根據用戶輸入的控制指令隨時中斷、切換當前導航模式，根據用戶指令配置新的導航模式;如果第一模式信號接收時間和信號質量改善，則提示用戶是否切換導航模式。 4)如果第二模式信號采集時間大于預定閾值或信號質量小于預定閾值，接收機采用第三模式信號接收部件采集第三模式信號，如果第三模式信號采集時間小于預定閾值且信號質量大于預定閾值，則進入第三模式導航模式，否則進入混合模式導航模式;在第三模式導航模式中隨時監(jiān)測外部輸入接口輸入的控制指令和/或第一 /第二模式信號接收時間和信號質量，根據用戶輸入的控制指令隨時中斷、切換當前導航模式，根據用戶指令配置新的導航模式；如果第一/第二模式信號接收時間和信號質量改善，則提示用戶是否切換導航模式。 5)在混合模式下，分別計算第一、第二、第三導航模式的的定位導航精度，選取定位導航精度最好的導航數據，提供給用戶，并注明相應的模式和定位導航數據和精度。2.如權利要求1所述的平臺，其特征在于，第一、第二、第三模式分別是衛(wèi)星導航、基站導航和光通信導航方式中一種。3.如權利要求1所述的平臺，其特征在于，如果用戶輸入室內環(huán)境的控制指令，則將導航模式設置為與室內導航相關的導航模式，如光通信導航和/或基站導航;如果用戶輸入室外環(huán)境的控制指令，則將導航模式設置為與室外導航相關的導航模式，如衛(wèi)星導航和/或基站導航。4.如權利要求1所述的平臺，其特征在于，在混合模式下，如果所有模式或其中兩種模式的導航數據均不符合預定的要求，則根據一定算法將精度較好的導航數據進行處理，將處理后的數據提供給用戶，并注明是混合處理數據。5.如權利要求1所述的平臺，其特征在于，同時提供所有模式的定位導航數據給用戶，并注明相應的模式和定位導航精度。
【文檔編號】G09B9/00GK106023709SQ201610601884
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月27日
【發(fā)明人】胡蔚蔚, 李嘯
【申請人】山東女子學院