一種led室內(nèi)定位發(fā)射系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種LED室內(nèi)定位發(fā)射系統(tǒng)，包括驅(qū)動單元、LED照明組件和供電模塊，供電模塊同時為LED照明組件和驅(qū)動單元供電；LED相關(guān)編碼程序通過JTAG接口從上位機(jī)存儲到程序存儲器ROM中，當(dāng)需要發(fā)射LED編碼ID信息時，由中央控制器CPU從程序存儲器ROM中取出程序，根據(jù)程序中LED的坐標(biāo)信息通過編碼電路模塊對LED的坐標(biāo)信息進(jìn)行編碼，然后把LED編碼ID暫存到數(shù)據(jù)存儲器RAM中，驅(qū)動電路模塊將LED編碼ID加載到LED燈上并且以功率的形式發(fā)射出去；驅(qū)動單元集成于一片F(xiàn)PGA芯片中，使用硬件描述語言Verilog HDL或VHDL進(jìn)行編程，大大提高了系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性。
【專利說明】
一種LED室內(nèi)定位發(fā)射系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種LED室內(nèi)定位發(fā)射系統(tǒng)，屬于定位導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，GPS是應(yīng)用最廣泛的定位系統(tǒng)，隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，其在室外的應(yīng)用已相 當(dāng)成熟，人們可以利用該類系統(tǒng)方便的進(jìn)行定位，并規(guī)劃好出行路線。但是，由于建筑物的 阻擋，其在室內(nèi)的信號較弱甚至沒有，導(dǎo)致在室內(nèi)定位時具有較大的誤差、甚至失效，因此 不適用于室內(nèi)定位。為了可以在室內(nèi)進(jìn)行精確定位，人們采用了 WLAN、藍(lán)牙、WIFI、紅外線等 定位技術(shù)。但是這些定位技術(shù)的穩(wěn)定性、定位精度以及成本等方面不能完全滿足用戶的需 求，而且在醫(yī)院、飛機(jī)場等對電磁干擾要求較嚴(yán)格的場合，這些定位技術(shù)受到很大的限制。 隨著LED技術(shù)的發(fā)展，基于可見光通信的室內(nèi)定位技術(shù)的優(yōu)勢和潛能得到了越來越多的關(guān) 注。其具有綠色環(huán)保、定位精度高、無電磁干擾、使用場合廣等優(yōu)點(diǎn)。而研究該技術(shù)的高速發(fā) 射技術(shù)可有效提尚系統(tǒng)的性能。
[0003] LED室內(nèi)定位技術(shù)利用可見光通信(VLC)技術(shù)，通過調(diào)制LED光源傳輸定位信息，是 一種將照明和定位相結(jié)合的新型定位技術(shù)。目前的室內(nèi)定位技術(shù)大多數(shù)采用基于距離的室 內(nèi)定位技術(shù)，而測量距離的方法有接收信號強(qiáng)度（RSS)、到達(dá)時間差（TD0A)、到達(dá)時間 (Τ0Α)、到達(dá)角度(Α0Α)等。Α0Α技術(shù)的成本較高，而Τ0Α和TD0A技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)，因此RSS技術(shù)是 解決定位的方案之一，其實(shí)現(xiàn)過程如下：
[0004] (1)對每展LED燈所處的二維或三維空間坐標(biāo)進(jìn)行編碼，并采用時分復(fù)用的方式加 載到LED上。
[0005] (2)發(fā)射端通過LED驅(qū)動電路模塊以開關(guān)鍵控的方式把定位信息加載到LED上，并 以功率的形式發(fā)射到光信道中。
[0006] (3)待測點(diǎn)根據(jù)接收到的功率判決出LED燈發(fā)射的定位信息，根據(jù)朗伯模型計算待 測點(diǎn)到至少三個參考點(diǎn)（LED)燈的距離，然后以測量出的待測點(diǎn)到三個參考點(diǎn)距離為半徑 作圓，三個圓的交點(diǎn)即為待測點(diǎn)的位置。
[0007] 現(xiàn)有的采用RSS原理的室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)射端大多數(shù)是采用分立元器件搭建的， 因此導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，進(jìn)一步導(dǎo)致定位精度下降，很難有更進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，并提供一種用于LED室內(nèi)定位技術(shù)的大 電流、高頻率發(fā)射系統(tǒng)，該發(fā)射系統(tǒng)可有效提高在RSS室內(nèi)定位技術(shù)中使用的發(fā)射端的集成 度，提高定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性及定位精度。
[0009] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案為，一種LED室內(nèi)定位發(fā)射系統(tǒng)，至少包括電性 連接的驅(qū)動單元、LED照明組件和供電模塊，供電模塊同時為LED照明組件和驅(qū)動單元供電， 所述驅(qū)動單元包括JTAG接口、程序存儲器ROM、數(shù)據(jù)存儲器RAM、編碼電路模塊、驅(qū)動電路模 塊、中央控制器和時鐘模塊，其中：
[0010] JTAG接口，連接中央控制器的輸入端，為中央控制器與上位機(jī)進(jìn)行信息交互的接 P;
[0011] 程序存儲器ROM，與中央控制器信息交互，用于存儲LED相關(guān)編碼程序；
[0012] 數(shù)據(jù)存儲器RAM，與中央控制器信息交互，用于存儲已經(jīng)進(jìn)行編碼的定位信息，當(dāng) 需要發(fā)射定位信息時，中央控制器直接從數(shù)據(jù)存儲器RAM中取出相關(guān)信息并加載到驅(qū)動電 路豐旲塊上；
[0013] 編碼電路模塊，連接中央控制器的輸入端，用于將定位信息進(jìn)行碼型轉(zhuǎn)換，并在碼 型轉(zhuǎn)換后的定位信息上加上幀頭和幀尾；
[0014] 驅(qū)動電路模塊，與中央控制器信息交互，用于將定位信息加載到LED照明組件上并 且以功率的形式發(fā)射出去；
[0015] 中央控制器，用于控制定位信息按照相關(guān)協(xié)議實(shí)時發(fā)送；
[0016] 時鐘模塊，與編碼電路模塊電性連接并且連接中央控制器的輸入端，用于提供工 作時鐘。
[0017] 所述中央控制器控制定位信息按照時分復(fù)用協(xié)議實(shí)時發(fā)送。
[0018] 所述編碼電路模塊采用曼徹斯特編碼方式，且每幀采用22位編碼，包含4位幀頭、 16位位置編碼、1位奇偶校驗(yàn)位和1位停止位，16位位置編碼包含8位橫坐標(biāo)編碼和8位縱坐 標(biāo)編碼，幀頭和停止位分別表示數(shù)據(jù)幀的開始和結(jié)束。
[0019] 所述編碼電路模塊接收定位信息后進(jìn)行首先進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，加幀尾后再進(jìn)行并串 轉(zhuǎn)換。
[0020] 所述中央控制器和時鐘模塊均基于FPGA實(shí)現(xiàn)。
[0021]所述驅(qū)動單元集成于一片F(xiàn)PGA芯片中。
[0022]所述驅(qū)動電路模塊采用開關(guān)鍵控的調(diào)制方式，驅(qū)動電路模塊的發(fā)射速率大于 lMbps〇
[0023] 所述驅(qū)動電路模塊為由運(yùn)算放大器和功率三極管構(gòu)成的閉環(huán)反饋電路。
[0024] 所述LED照明組件包括2盞以上LED燈，驅(qū)動電路模塊的輸出端連接各LED燈，運(yùn)算 放大器的反相輸入端串接有大功率電阻R。
[0025] 驅(qū)動電路模塊的輸出信號包括高電平和低電平，分別對應(yīng)LED燈的兩個發(fā)射功率。
[0026] 由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的LED室內(nèi)定位發(fā)射系統(tǒng)，主體包括電性連接的 驅(qū)動單元、LED照明組件和供電模塊，供電模塊同時為LED照明組件和驅(qū)動電路模塊供電，驅(qū) 動單元為該發(fā)射系統(tǒng)的控制核心，LED照明組件為執(zhí)行單元，按照時分復(fù)用協(xié)議以大于 1Mbps的速率實(shí)時發(fā)送定位信息；驅(qū)動單元包括JTAG接口、程序存儲器R0M、數(shù)據(jù)存儲器RAM、 編碼電路模塊、驅(qū)動電路模塊、中央控制器和時鐘模塊，LED相關(guān)編碼程序通過JTAG接口從 上位機(jī)存儲到程序存儲器ROM中，當(dāng)需要發(fā)射LED編碼ID信息時，由中央控制器CPU從程序存 儲器ROM中取出程序，根據(jù)程序中LED的坐標(biāo)信息通過編碼電路模塊對LED的坐標(biāo)信息進(jìn)行 編碼，然后把LED編碼ID暫存到數(shù)據(jù)存儲器RAM中，由驅(qū)動電路模塊控制LED照明組件中的 LED燈發(fā)出LED編碼ID;驅(qū)動單元集成于一片F(xiàn)PGA芯片中，使用硬件描述語言Verilog HDL或 VHDL進(jìn)行編程，大大提高了系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性。
[0027] 由于本方案設(shè)計的LED照明組件采用時分復(fù)用的通信方式，且采用曼徹斯特編碼， 因此針對此種編碼方式設(shè)計了專門的編碼電路，本發(fā)明中LED發(fā)送的定位信息數(shù)據(jù)幀每幀 設(shè)計了 22位，包括4位幀頭、8位橫坐標(biāo)、8位縱坐標(biāo)、1位奇偶校驗(yàn)位和1位停止位，其中橫坐 標(biāo)和縱坐標(biāo)采用的是曼徹斯特編碼;4位幀頭在此有兩方面的作用，一方面幀頭與數(shù)據(jù)正文 (16位位置編碼)具有不重復(fù)的作用，當(dāng)判斷出接收到幀頭后，即表示下面接收到的數(shù)據(jù)為 定位位置信息；由于本發(fā)明設(shè)計驅(qū)動電路模塊的輸出信號為高電平和低電平，高電平和低 電平分別對應(yīng)LED燈的兩個發(fā)射功率，即各LED燈的發(fā)射功率不同，因此4位幀頭另一方面的 作用是接收端根據(jù)接收到的幀頭的功率的大小，以此作為判決，判斷出數(shù)據(jù)正文定位信息 是高電平還是低電平;奇偶校驗(yàn)位的作用是用于判斷接收到的數(shù)據(jù)是否正確，如果接收錯 誤則丟棄此幀;停止位表示此幀結(jié)束，同時還可以起到幀與幀隔離的作用;而根據(jù)實(shí)際的需 要，數(shù)據(jù)正文即LED燈的坐標(biāo)也可以采用三維坐標(biāo)來傳輸定位信息，在此首先CPU從程序存 儲器ROM中取出程序，根據(jù)程序中LED的坐標(biāo)信息，通過偽隨機(jī)序列發(fā)生器后，對定位信息其 進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換后，對坐標(biāo)進(jìn)行曼徹斯特編碼，加上幀頭、奇偶校驗(yàn)位以及停止位后，最后對 其進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換后輸出。
[0028] 驅(qū)動電路模塊可以驅(qū)動大電流LED，把定位信息加載到LED上，以功率的形式發(fā)射 出去，同時控制定位信息以大于1Mbps的速率傳送;驅(qū)動電路模塊采用由運(yùn)算放大器和功率 三極管構(gòu)成的閉環(huán)反饋電路，為恒流電路，屬于電流串聯(lián)負(fù)反饋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以使輸出的 電流更加穩(wěn)定，進(jìn)一步穩(wěn)定輸出的功率，其中LED為負(fù)載，運(yùn)算放大器的反相輸入端上連接 大功率電阻R，在對LED限流的同時，在反饋回路中起到采樣的作用;為了對輸出電流實(shí)現(xiàn)兩 種電流值的控制，在沒有信號輸入時運(yùn)算放大器的同相輸入端由靜態(tài)電壓供電，使LED工作 在低功率值，在有控制信號輸入時，運(yùn)算放大器的同相輸入端引入由控制器輸出的電壓信 號，使LED工作在高功率值。
[0029] 本發(fā)明采用的是開關(guān)鍵控的方式，即直接讓LED以功率代表定位信息的形式發(fā)射 到自由空間中，可大大提高LED室內(nèi)定位發(fā)射系統(tǒng)的集成度，同時大幅度降低了成本，可以 廣泛的應(yīng)用在基于RSS(Received signal strength)技術(shù)的LED室內(nèi)定位系統(tǒng)中。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明提供的LED室內(nèi)定位發(fā)射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0031]圖2為編碼電路模塊的編碼流程框圖。
[0032]圖3為驅(qū)動電路模塊的電路圖。
[0033]圖4為供電模塊的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)具體說明，本發(fā)明的內(nèi)容不局限于以下 實(shí)施例。
[0035]參見圖1，本發(fā)明提供的LED室內(nèi)定位發(fā)射系統(tǒng)，包括電性連接的驅(qū)動單元、LED照 明組件和供電模塊，LED照明組件包括2盞以上LED燈，各LED燈構(gòu)成多個N行N列的LED燈陣 列，N多2，LED照明組件為由多個LED燈陣列擴(kuò)展構(gòu)成m行η列的宮格單元拓?fù)浣M網(wǎng)結(jié)構(gòu)，供電 模塊同時為LED照明組件和驅(qū)動單元供電，驅(qū)動單元集成于一塊FPGA芯片上，使用硬件描述 語言Verilog HDL或VHDL進(jìn)行編程，參見圖4,供電模塊為驅(qū)動單元供電時其內(nèi)部進(jìn)行電壓 轉(zhuǎn)換，將220V市電轉(zhuǎn)化為FPGA芯片工作的基準(zhǔn)電壓VCC;
[0036] 所述驅(qū)動單元具體包括JTAG接口、程序存儲器ROM、數(shù)據(jù)存儲器RAM、編碼電路模 塊、驅(qū)動電路模塊、中央控制器和時鐘模塊，其中：
[0037] 中央控制器，用于控制定位信息按照時分復(fù)用協(xié)議實(shí)時發(fā)送；
[0038] 時鐘模塊，與編碼電路模塊電性連接并且連接中央控制器的輸入端，用于提供工 作時鐘；
[0039] JTAG接口，連接中央控制器的輸入端，為中央控制器與上位機(jī)進(jìn)行信息交互的接 口，通過此接口把LED相關(guān)ID數(shù)據(jù)的編碼程序存儲到程序存儲器ROM中；
[0040] 程序存儲器R0M，與中央控制器信息交互，用于存儲LED相關(guān)編碼程序，當(dāng)從程序存 儲器ROM中取出LED相關(guān)編碼程序中的LED坐標(biāo)信息時，經(jīng)過編碼電路模塊進(jìn)行編碼后，把相 關(guān)的編碼數(shù)據(jù)暫存到數(shù)據(jù)存儲器RAM中；
[0041] 數(shù)據(jù)存儲器RAM，與中央控制器信息交互，用于存儲已經(jīng)進(jìn)行編碼的定位信息，當(dāng) 需要發(fā)射定位信息時，直接從數(shù)據(jù)存儲器RAM中取出相關(guān)信息并加載到LED驅(qū)動電路模塊 上，數(shù)據(jù)存儲器RAM可以進(jìn)行數(shù)據(jù)高速存儲和取出，可以使定位信息實(shí)時發(fā)送；
[0042] 編碼電路模塊，連接中央控制器的輸入端，用于將定位信息進(jìn)行碼型轉(zhuǎn)換，并在碼 型轉(zhuǎn)換后的定位信息上加上幀頭和幀尾;編碼電路模塊采用曼徹斯特編碼方式，且每幀采 用22位編碼，包含4位幀頭、16位位置編碼、1位奇偶校驗(yàn)位和1位停止位，16位位置編碼包含 8位橫坐標(biāo)編碼和8位縱坐標(biāo)編碼，幀頭和停止位分別表示數(shù)據(jù)幀的開始和結(jié)束，參見圖2， 編碼時首先中央控制器CHJ從程序存儲器ROM中取出程序，根據(jù)程序中LED的坐標(biāo)信息，通過 偽隨機(jī)序列發(fā)生器后，對定位信息其進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，隨后對坐標(biāo)進(jìn)行曼徹斯特編碼，加上幀 頭、奇偶校驗(yàn)位以及停止位后，最后對其進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換并輸出；
[0043]驅(qū)動電路模塊，與中央控制器信息交互，用于將定位信息加載到LED上并且以功率 的形式發(fā)射出去;驅(qū)動電路模塊采用開關(guān)鍵控的調(diào)制方式，驅(qū)動電路模塊的發(fā)射速率大于 1Mbps，采用運(yùn)算放大器加功率三極管為核心的恒流電路，運(yùn)算放大器的反相輸入端串接有 大功率電阻R，參見圖3，電阻R8即為大功率電阻R，電阻R8上串接電阻R5并且并接電阻R6，該 電路屬于電流串聯(lián)負(fù)反饋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以使輸出的電流更加穩(wěn)定，進(jìn)一步穩(wěn)定輸出的功 率，其中LED為負(fù)載，R5和R6為采樣電阻，通過對R5和R6進(jìn)行采樣反映出R8的端電壓變化，從 而達(dá)到檢測LED燈功率變化的目的，R8(即大功率電阻R)在回路中的作用一是起到限流的作 用，此外也可直接對R8的電壓波形進(jìn)行采樣達(dá)到檢測高低電平的目的，因而R8(即大功率電 阻R)也可作為采樣電阻，為了對輸出電流實(shí)現(xiàn)兩種電流值的控制，驅(qū)動電路模塊的輸出信 號包括高電平和低電平，在沒有信號輸入時運(yùn)算放大器的同相輸入端由靜態(tài)電壓VCC供電， 使LED工作在低功率值(約為3W)，在有控制信號輸入時，運(yùn)算放大器的同相輸入端引入由控 制器輸出的電壓信號，此時的同相輸入端的輸入信號有VCC部分和引入的電壓信號部分，使 LED工作在高功率值（約為5 W )，電路工作在深度負(fù)反饋，經(jīng)分析其輸出電流
.，驅(qū)動電路申吳塊的輸出端 連接各LED燈。
【主權(quán)項】
1. 一種LED室內(nèi)定位發(fā)射系統(tǒng)，至少包括電性連接的驅(qū)動單元、LED照明組件和供電模 塊，供電模塊同時為LED照明組件和驅(qū)動單元供電，其特征在于:所述驅(qū)動單元包括JTAG接 口、程序存儲器ROM、數(shù)據(jù)存儲器RAM、編碼電路模塊、驅(qū)動電路模塊、中央控制器和時鐘模 塊，其中， JTAG接口，連接中央控制器的輸入端，為中央控制器與上位機(jī)進(jìn)行信息交互的接口； 程序存儲器ROM，與中央控制器信息交互，用于存儲LED相關(guān)編碼程序； 數(shù)據(jù)存儲器RAM，與中央控制器信息交互，用于存儲已經(jīng)進(jìn)行編碼的定位信息，當(dāng)需要 發(fā)射定位信息時，中央控制器直接從數(shù)據(jù)存儲器RAM中取出相關(guān)信息并加載到驅(qū)動電路模 塊上； 編碼電路模塊，連接中央控制器的輸入端，用于將定位信息進(jìn)行碼型轉(zhuǎn)換，并在碼型轉(zhuǎn) 換后的定位信息上加上幀頭和幀尾； 驅(qū)動電路模塊，與中央控制器信息交互，用于將定位信息加載到LED照明組件上并且以 功率的形式發(fā)射出去； 中央控制器，用于控制定位信息按照相關(guān)協(xié)議實(shí)時發(fā)送； 時鐘模塊，與編碼電路模塊電性連接并且連接中央控制器的輸入端，用于提供工作時 鐘。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED室內(nèi)定位發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于:所述中央控制器控制定 位信息按照時分復(fù)用協(xié)議實(shí)時發(fā)送。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的LED室內(nèi)定位發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于:所述編碼電路模塊采用 曼徹斯特編碼方式，且每幀采用22位編碼，包含4位幀頭、16位位置編碼、1位奇偶校驗(yàn)位和1 位停止位，16位位置編碼包含8位橫坐標(biāo)編碼和8位縱坐標(biāo)編碼，幀頭和停止位分別表示數(shù) 據(jù)幀的開始和結(jié)束。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的LED室內(nèi)定位發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于:所述編碼電路模塊接收 定位信息后進(jìn)行首先進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，加幀尾后再進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED室內(nèi)定位發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于:所述中央控制器和時鐘 模塊均基于FPGA實(shí)現(xiàn)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的LED室內(nèi)定位發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于:所述驅(qū)動單元集成于一 片F(xiàn)PGA芯片中。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED室內(nèi)定位發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于:所述驅(qū)動電路模塊采用 開關(guān)鍵控的調(diào)制方式，驅(qū)動電路模塊的發(fā)射速率大于1Mbps。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED室內(nèi)定位發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于:所述驅(qū)動電路模塊為由 運(yùn)算放大器和功率三極管構(gòu)成的閉環(huán)反饋電路。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的LED室內(nèi)定位發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于:所述LED照明組件包括2 盞以上LED燈，驅(qū)動電路模塊的輸出端連接各LED燈，運(yùn)算放大器的反相輸入端串接有大功 率電阻R。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的LED室內(nèi)定位發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于:驅(qū)動電路模塊的輸出信 號包括高電平和低電平，分別對應(yīng)LED燈的兩個發(fā)射功率。
【文檔編號】G01S5/10GK106093860SQ201610566378
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月18日
【發(fā)明人】王瑾, 王敏, 未建紅, 張曉鋒
【申請人】中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）