如何設計基于FPGA的虛擬現實定位系統？

3.2 ADXL345數據采集模塊設計

ADXL345在虛擬場景系統中用于測量傾斜角，它的時鐘驅動也是一系列的I2 C驅動時鐘周期.本模塊的設計也是針對于ADXL345的時鐘驅動和對應的數據讀取所進行的.傾斜角的寄存器內容的獲取是整個模塊的主要內容.

在實際的場景系統中主要用到了X、Y、Z 三個方向上的偏移寄存器，用于測量中修正原始位置的測量誤差.對于數據采集速率則是由寄存器OX2C即寄存器BW_RATE的CH0-CH3所控制.對于 三維重力加速度傳感器而言，主要的初始化也是通過常見的I2 C總線與FPGA 進行通信，在數據獲取方面集中在X、Y、Z 三個重力方向上的寄存器數據.其時序圖如圖5 所示，代碼編寫過程中與HMC5883L共用總線同時都受FPGA的控制，屬于系統控制的從端.同樣的，三維重力加速度傳感器也需要根據測量需求去輸入初 始化寄存器的配置.然后對需要讀取的寄存器數據位進行總線讀取，并存入到配置好的8bit寄存器保存好打包傳往上位機進行數據分析.(點擊可查看大圖)

3.3 場景數據分析

在地磁的測量過程中需要對數據進行必要分析才能得到對應的方位角度.

由HMC5883L 和ADX345傳感器我們可以得到地磁場在空間三個軸上的分量磁場大小分別為Hx、Hy、Hz以及加速度傳感器測量俯仰角φ 和橫滾角θ.

式中Ax、Ay、Az是重力加速度傳感器三個方向上測量得到的加速度值.在特定的公式計算下可以大致得到目前物體所處的順時針方位角a為

以上是初步估計出來得到方位角參數，計算中不可忽略的還有HMC5800L還受到外部磁性干擾，其中較為突出的是硬磁效應和軟磁效應[8~9]一般而言 對于硬磁效應，我們采取的方法是將物體至于場景中旋轉360°，然后經過多次的采樣得到X、Y、Z 坐標的最大值Xmax、Ymax、Zmax和最小值Xmin、Ymin、Zmin然后對于硬磁效應來說就是偏移量為

硬磁效應只需要使用測試的數據值加上off 的偏移值便可，而對于軟磁效應，補償的方法比較復雜，一般可以使用公式進行適當的估算，項目中初步使用式(12)進行補償.其中Xr為真實的無干擾的坐標 值，a為其干擾系數，一般軟磁干擾就需要大量的數據去得到a 的值.一般情況下可以采取特定的角度進行數據采樣，然后根據數據的

實際值Xr和對應無干擾的值Xc進行運算，求出a的這個系數的值便可.

3.4 以太網通訊模塊設計

LAN8700是SMSC公司的一款以太網物理層芯片.

LAN8700由編碼器/解碼器.擾碼器/解擾器.波形整形器.輸出驅動器.自適應均衡雙絞線接收器.時鐘數據恢復功能模塊組成.

FPGA模塊編程中定義了UDP_User_int模塊來實現數據打包的詳細過程，另外MAC的物理層通信由MAC_top模塊來實現，包括PHY的初始 化.時鐘的控制.發生數據的控制.MII接口的控制.接收數據控制，寄存器的控制等，都定義了UDP_TOP頂層模塊來實現FPGA與它們的接口順利傳輸 數據.以太網驅動模塊實現的RTL門級結構圖如圖7所示.

其中ip_local和mac_local是本地IP和MAC地址;每組E_RXD和E_TXD都是4個32位數據，E_RXD是接收MAC層的數 據，E_TXD是發送給MAC層的數據;每組send_zb_value都是64個32位數據，打包成了UDP包，send_zb_value是發送至以 太網的UDP包，同時定義了send_en來作為發送數據的使能信號;E_COL和E_CRS分別是沖突檢測和載波偵聽信號，他們的作用是用來控制著 UDP包的正確發送.

4 結語

設計中使用了HMC5883L芯片對物體的方位角進行測定，使用輔助芯片ADXL345來判定傾斜角和物體翻滾姿態，使得物體在虛擬場景中的實際情況更為 精準.利用FPGA對數據的高速處理能力將采集到的場景定位內容迅速分析處理并且通過以太網控制芯片發往局域網中的上位機中，最終在上位機實現虛擬場景的 變動.整套硬件系統能夠穩定的工作在研發的項目之中，工作性能良好.能耗低，精度可達1°以內的范圍.