基于FPGA的CNSS定位装置的设计
叶先万 兰润琦 刘聪鑫 吴松和 何仲涛
摘 要：针对目前市场上出现的大部分新型智能定位设备技术复杂、工作效率低、定位精准度不高等问题，文章自主设计出了一种全新的定位装置。该装置使用FPGA+ARM作為主控方式，可以实现快速计算和有效控制，采用CNSS定位系统，能够实现实时精准定位，具有很好的社会价值。
关键词：快速计算；有效控制；CNSS定位
0 引言
目前市场出现的大部分定位产品如定位手表、定位手环等大多采用LBS基站或GPS定位技术，将采集的装置信息传递给主控板，再由无线通信将位置信息发送到监护人从而实现远程实施监护。采用的主控芯片大多为简单的嵌入式控制芯片，在定位信息采集和位置实时更新方面存在延迟现象，可能造成一些社会问题。基于此，文章在定位控制方面重新加以改造和设计，采用ARM+FPGA的组合控制模式，能够实现实时快速精准定位，可以很好地满足人们社会生活需求。
1 系统设计
本设计电路包括电流滤波放大模块、AD模块、FPGA和ARM组成的主控模块、无线充电接收模块、电源控制模块和外接GPS和无线基站的天线及串口下载调试接口。外接GPS天线将用户的实时位置信息传递给控制主板，位置信号经过滤波放大和AD转换传递到FPGA芯片，其中自定义内部算法快速将位置信息通过HPS传递给ARM控制板，ARM控制板会做出相应信号输出，再由I2C通过手机基站及时发送至监控人手中，从而实现精准快速定位。总体设计框图如图l所示。
2 模块工作原理
2.1 GPS定位原理
该设计采用的GPS定位方式为AGPS定位[1]。GPS定位原理为用光速通过卫星定位，GPRS定位原理相同但将卫星改为了基站。AGPS定位是结合GPS和GPRS定位的优点，由GPS定位为主，GPRS定位为辅而成，先通过GPRS定位一个范围，再由GPS精确定位，定位精度误差在50米之内，通过定位模块可以精确捕获使用者位置信息。
2.2滤波放大原理
由于通过GPS接受到的位置信号噪声太大，有用位置信号必须经过滤波放大后才能被提取出来，一般做法是采用两次连续的滤波放大。该模块由滤波电路和放大电路构成，滤波电路主要通过滤波电容滤去杂波提取有用信号，放大电路可以采用差分放大电路。
2.3 AD采样原理
AD模块将电路的模拟量转为数字量，即将提取出的位置模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。该模块设计可采用24位50MHz的精密AD，能够准确将位置信号送给主控芯片作为信号输入。
2.4 FPGA+ARM原理[2]
本部分为整个控制板的核心，位置信号送给FPGA作为输入，其中内部定义算法和其高速的运算能力可以把信号及时传递给ARM控制芯片，ARM再将反馈信号输出给下一级发送，FPGA和ARM间通过HPS进行连接通信。本部分FPGA芯片采用LCMX02-4000HC系列，逻辑资源丰富，运算能力强，集成编程器通过USB串口即可下载调试，ARM芯片采用STM32L073ZT低功耗芯片，内部集成了ARMCotex-MO、固定外设和存储系统，可以有效地对输入信息做出设定应答，通过外接串口下载调试。采用FPGA+ARM设计使得定位信息处理迅速并反应及时，从而实现了精准快速定位。
2.5信号发送原理
定位信号作为外部输入，经ARM核进行处理后得到消息信号，消息信号经过I2C由GPRS无线发射到监控人手里，GPRS流量由SIM卡支持提供。本部分设计中，可以人为设定程序对不同的定位信号做出相应的判断，将判断的消息信号及时反馈给监护人手里，这样就可以实现可控式智能监控。
2.6无线充电原理
本部分采用磁共振式无线充电[3]，其工作原理为利用电磁波感应原理进行充电的设备，原理类似于变压器。在发送和接收端各有一个线圈，发送端线圈连接交流电源产生变化磁场，接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流给电池充电。
2.7电源控制原理
本部分采用体积小、续航能力强的锂电池作为整个电路的供电源，保证各个模块正常有序工作。控制电路与接收线圈相连，可以根据电池电量控制充电效果，即本部分模块还可以设计成由电池电量及充电时电池温度情况控制充电速度，实现快充和慢充等不同效果。
3 设计实用功能及意义
本设计在技术上涵盖了无线通信、电磁控制、ARM主控、FPGA设计等传统技术。设计的具体实用功能有如下几个方面：
3.1实现精准智能可控定位
将GPS接收到的实时位置信息通过FPGA快速运算分析，位置信号传送给ARM核进行处理，将信息及时反馈给监控者。在ARM控制核外留USB程序下载接口，用户可以根据自己的需求进行相关设置，可以实现报警提醒、自动呼叫等功能。
3.2实现无线充电供电
利用磁共振式无线充电使充电效率和充电有效距离大大提高，可以实现在固定装置外不接触式充电。无接触式充电，既安全便捷又可以让电池充电时无需拆封，无需特意预留外部充电接口，即可以将装置镶嵌于其他设备中从而无需考虑充电问题。
3.3实现微处理模块化结构
设计电路简单易行，可以将电路集成于小型PCB板上，将实物做成超小模块。FPGA和ARM控制芯片预留有接口，可以根据特定功能增加外设，可操作性强。设计电路各模块间由总线连接，功能相对独立，在电路硬件出现故障时可以很快修复。
4 设计创新点
本作品的设计创新点归纳为以下三个方面：
4.1超低功耗
本作品采用32位Cortex-MO处理器，其核心架构为ARMv6M，其运算能力可以达到0.9 DMIPS/MHz，而与其他的16位与8位处理器相比，由于Cortex-MO的运算性能大幅提高，所以在同样任务的执行上Cortex-MO只需较低的运行速度，而大幅降低了整体的动态功耗。
4.2 QI无线充电[4]
采用磁共振式无线充电，通过阻抗匹配使震荡源发射电磁信号与接收震荡信号产生共振，从而将能量由发射端转移到接收端。这种方式的充电距离为数十厘米到数米间，可有效的进行充电传输。
4.3采用ARM+FPGA主控
产品的软件操作系统基于FPGA+ARM平台，ARM的FSMC总线接口将FPGA与ARM连接，即将FPGA作为ARM的一个外设，通过寄存器方式加以配置。采用ARM+FPGA主控可以充分利用FPGA的快速运算性能和ARM的智能控制，二者相结合可以使位置信息的采集和处理速度变得更快、效率更高。
5 结语
本设计在传统定位装置上加以改进和创新，通过改变主控芯片从原理上提高装置精准定位性能。设计电路在功能上效果多样且操作性强，主控板留有外设和下载接口，可以根据具体需求进行智能设计；在性能上，采用ARM+FPGA作为主控，提高了定位性能，采用无线充电方式进行供电，增强了可靠性；在结构上简单可行且易于微处理，可以做到手表大小，能够应用于智能穿戴等领域，具有很好的社会前景！
参考文献：
[1]吴志华.基于GPRS的AGPS客户端的设计与实现[J].中国航空学会控制与应用第十二届学术年会，2007.
[2]丁小明.基于FPGA+ARM的GPS/BDⅡ接收机设计与实现[D].电子科技大学，2015.
[3]窦延军.一种磁耦合谐振式无线充电系统的设计[D].电子科技大学，2013.
[4]陈艳，陈新.基于QI标准线圈的磁谐振无线充电系统仿真研究[J].电脑知识与技术，2015，（10）：207-209.
