基于TDOA的超声波室内定位系统的设计与现帛(3)

TDOA 超声波 定位系统

＼ Ｉ

第３期韩霜，罗海勇等：基于ＴＤＯＡ的超声波室内定位系统的设计与实现

，３４９

图３

节点硬件结构框图

传感器节点主要由能量供应模块、处理器模块、无线通信模块和超声波收发模块四部分组成。此外，还应用到标准联合测试ＪＴＡＧ接口进行程序的调试和下载，并外扩多个通用输入输出ＧＰＩＯ接口以供调试及后续工作的扩展操作。

能量供应模块的设计考虑到传感器节点的能量受限，然而有时为了增大设计中定位系统的覆盖范围，需要采用较高电压发射超声波信号。因此，节点上除超声波发射模块以外的部分采用４．２Ｖ锂电池供电，而超声波发射模块可选择为省电模式或扩展模式，其中省电模式即采用上述４．２Ｖ电源，扩展模式应用ＴＩ公司生产的ＴＰＳ６１０８５升压芯片将电压升

至１２Ｖ甚至更高，以满足扩展信号覆盖范围的需

求。本文中实验内容无特殊说明均采用省电模式，升压模块的电路图如图４所示。

图４升压模块电路图

处理器模块采用Ａｔｍｅｌ公司生产的基于ＲＩＳＣ结构的增强型低功耗８位微控制器Ａｔｍｅｇａｌ２８Ｌ，配有

１２８

ｋｂｙｔｅ的可编程Ｆｌａｓｈ存储器和４

ｋ

ｂｙｔｅ的

ＳＲＡＭ，ＣＰＵ－ｉ２作时钟７．３７２８ＭＨｚ，可支持６种不同的睡眠模式进行电源管理和能量控制；无线通信模块采用Ｃｈｉｐｃｏｎ公司生产的ＣＣｌ０００芯片，工作时钟

１４．７４５６

ＭＨｚ，发射／接收频带９１５ＭＨｚ，可编程输出

功率一２０～１０ｄＢｍ，接收灵敏度可达一１００

ｄＢｍ。

超声波发射／接收传感器采用Ｔ／Ｒ４０．１６。中心频率４０．０－＇ｒ１．０ｋＨｚ，最大输入电平４０Ｖ，最大声压

１１５

ｄＢｍ，接收灵敏度一６６ｄＢｍ，信号强度一６ｄＢ增

万方数据

益处的中心方向角为６０。。Ｔ／Ｒ４０—１６超声波传感器信号衰减与收发角度间的关系如图５所示。

Ｏｏ

３００／一歹厂

７缀，／７二澎二詈淼弋

６¨．．．一Ｖ＼、

—≮ｏ．．．－－．．３０。

图５超声波传感器灵敏度曲线图

由图可见，当超声波收发角度增大时，传感器的信号接收灵敏度呈明显下降趋势，这样势必会对系统的定位范围及定位精度产生影响。鉴于此，本系统中超声波接收模块的设计支持多个接收传感器的扩展，但由于目前硬件所限，本文中实验均采用单个超声波收发模块的设计，多传感器的扩展设计将在后续工作中完成。图６和图７为超声波收发模块的电路原理图。

ＴｘＰｏｗｅｒ

Ｔ

．＝Ｆ

图６超声波发射模块电路图

图７超声波接收模块电路图

超声波发射模块将处理器输出的４０ｋＨｚ超声波信号ＩＮＴｌ经三极管２Ｎ１４７０放大后，驱动超声波发射传感器Ｙ，发射超声波；超声波接收模块应用运算放大器ＬＭ３５８将来自超声波接收传感器Ｙ２的微弱信号进行放大，经ＬＭＣ５６７频率匹配后输出低电