CC BY
2
УДК 621.382
Програмована система сигнального тракту пристрош магштного трекшгу для задач
локально!" навшацн
Голяка Р. Л., Марусенкова Т. А., ПруОиус I. Н., Фабгровський С. 6.
Нацшиалышй ушворситот "Лызшська иолггохшка" E-mail: fabirovekii&gmaiLcom
Робота присвячепа ироблематпгц апаратпо-програмпо! реал!зацп пристрош магштного трешпгу для високоточпого впзпачеппя положения об'ектав в простор!, зокрема в копцепгцях в1ртуалыю! та допов-пепо1реалыюст1. Вазовий принцип методу магштного трекшгу базуеться па розрахупку положения об'ектв за результатами дипам1чпого вим1рюваппя вектора ищущи опорпих магштпих пол!в. Так! onopni магштшполя формуються актюатор1шми котушками в пизькочастотпому спектр! електромагш-тпого вииромшю ваппя. Суттевими перевагами систем магштного трекшгу в1дпоспо систем оптич1шх систем е можлшнстьфупкцюпуваппя поза зоною прямого бачеппя. В1дпоспо систем шергцалыюго трешпгу перевагами систем магштного трешпгу е можлшмсть високоточпого вим1рюваппя координат та в!дсутшсть похибок. щовипикають впасл!док часового дрейфу сигпал!в акселерометр!в та г!роскошв. Проте. сфера застосувапь систем магштного трекшгу е обмежепою. Це обумовлепо паразнташм вплн-вом па результат вим1рюваппяджерел сторопшх електромагштпих завад та метал1чпих предметав. яш спотворюють onopni поля. В дашй робот! вгцяшуеться задача розроблешш сигнального тракту пристро-1в магштного трекшгу просторовогоположешш. Проблемами, що обумовили цю задачу, е пеобх!дшсть забезпечешш широкого д!апазопу змши сигпал1в (до 120 dB) та внсоко! завадостшкост! вгмрюваппя при специф1чпих умовах експлуатацп. Запропоповаш piiiiemm направлен! па шдвшцеппя точпост та розширеппя зопп вгмрюваппя просторового положения. a i'x новизною е алгоритм завадостшкого иеретвореппя при дипам1чпому перемикапш параметр!в сигнального тракту. Враховуючн внмогп до сучаспих радюелектрошшх пристрош. снгпальппй тракт реал!зовапо па копцепцп програмова1шх систем па кристал! PSoC, Cypress Semiconductor. Представлено виб!р та копфц-уруваппя компопептав сигнального тракту, результати SPICE моделышх досл!джепь та приклад практично! реал!заци.
Клюноог слова: пристро! локально! шцмгаци: апаратпо-програмш засобп в!ртуалыю! реальности магш-тппй трешпг: програмована вбудовапа система
DOI: 10.20535/RADAP.2020.80.48-56
Вступ
Метод та технолог!! реал1заш1 магштно-го/електромагштного трекшгу (МТ Magnetic Tracking. ЕМТ Electromagnetic Tracking) с одними з iiOBiTiiix иапрямк1в розвитку сенсорно! електрошки в naBirau;ii об'ектв для систем 1нтсрнету речей (Internet of Things. IoT). в1ртуально1 реалыгосп (Virtual Reality. VR) та доповнонси реальност1 (Augmented Reality. AR) [1]. Базовий принцип цьо-го методу базуеться на визначенш просторового положения об'ектав за результатами динамичного вим1рювания вектора шдукщ! опорпих маги1тпих пол1в. Taxi onopni магштш поля формуються набором векторних актюатор1в. а шформативш сигнали вим1рюються векторними сенсорами. Здебшыно-го. формуються змшш (Alternative Current. AC) MarniTiii поля в пизькочастотпому спектр1 електро-
магштного випром1нювання (FMT=10^ .105Гц)
[2].
Переважно. сенсори та актюатори реал1зуються па ocnoBi оиттпзованих для конкретних умов ви-користання шдуктивних котушок [3]. 1нформативш сигнали взаимного положения шдуктивних котушок «актюатор сенсор» описуються. визначеними на етапах моделышх та ексиерименталышх досль джень. функщоналышми залежностями. основними аргументами яких с ввдстань хйж котушками та i'x нахил одна ввдносно iiiino'i. IvpiM того, визначаль-ними факторами, що впливають на шформативш сигнали. с форма та частота опорного магштного поля, вплив CTopoiniix об'ектав на магн1тне поле, передавальна функцш сигнального тракту тогцо.
Суттевими перевагами систем маги1тиого тре-Kinry ввдносно систем оптичного трекшгу ОРТ (Optical Tracking) е можлившть функцюнування по-
за зоною прямого бачення (Line-Of-Siglit, LOS). В1д-носно систем шерщалыгого трокшгу (Inortial Sensor Tracking. 1ST) на ocuoBi шерщалышх втирюваль-них моду.шв (Inortial Measurement Unit. IMU) перевагами систем магштного трокшгу с можлив1сть високоточного втпрювання координат ceiicopiB в1д-носно сформовано! матрицею актюатор1в системи координат та вщеутшеть похибок, що обумовлеш часовим дрейфом сигнал1в аксолерометр1в [4] та ripocKoniB [5].
Проте, сфера застосувань систем магштного тро-Kinry с обможоною. Причинами такого обмеження с жорстш вимоги до оточуючого сородовища. в яко-му формуються onopni ManiiTiii поля. Основними з цих вимог с вщеутшеть джерел CTopoiinix еле-ктромагн1тних завад та метал1чних предмепв, яш спотворюють onopni поля.
IvpiM того. залежшеть информативного сигналу просторового положения об'екту в системах магштного трокшгу описуеться оберноною куб1чною функщяо ввд вщеташ хйж актюаторами та сенсорами. що обумовлюс значну змшу piBira сигналу [6]. Так. при перемщенш сенсора з точки на вщеташ L\ = 10 см ввдносно актюатора в точку на вщеташ L2 = 100 см, тобто при L2/L1 = 10, амшптуда на-пруги V(L) корисного сигналу спадае в \(Ь2)/У(L1) = 103 раз, тобто па три порядки. Ще три порядки доапазону втпрювання входного сигналу нообхщно забезпочити при врахуванш змши взаимного кута нахилу в napi шдуктивних коту шок «актюатор сенсор». Залежшеть сигналу при змии кута нахилу описусться тригономотричними функщями, зокре-ма, синуса чи косинуса в залежносп в1д прийнято! системи координат [6]. Ввдтак, необхвдно забезпочити динахйчшш дцапазон сигнального тракту в 6 порядшв (120 dB за напругою). Цо обумовлюе значш складносп сигнального перотворення та обмеження на розм1ри простору, в якому забезпочусться задана ToniiicTb визначення координат.
В дашй робот1 вщлшуеться задача розроблоння сигнального тракту пристроТв магштного трокшгу просторового положения. Новизною представлоних в робота pimeiib с алгоритм завадостайкого поре-твореиня при динамичному перемиканш параметр1в сигнального тракту, що створюс перодумови шдви-щення T04ii0CTi та розширення зони втпрювання просторового положения.
1 Огляд лггератури
Прикладами сучасних задач та pinieiib, яш роз-глядаються в науков1й л1торатур1 з проблематики магштного трокшгу е: розрахунок просторового положения об'ектав в 3D електромагштних системах TpoKinry [6], розроблоння систем електромагштного трек1нгу для сканування ближшх по.шв (Near-Field Scanning) [7], кал1брування вим1рювалышх систем трек1нгу для динамично! компонеащ! спотворень ма-
riiiTiioro поля [8], анал1з точноста та модолювання похибок систем магштного трокшгу [9], використа-ння тохнологп' магштного трокшгу в задачах навь гацй' гнучких робот1в [10], xipypri'í [11], мошторингу кшематики обличчя [12] тогцо.
Прикладами сучасних шдуктивних компоненте MariiiTiiiix ceiicopiB трокшгу е iiiTorpoBani 3D (3 Dimensions) котушки, що формують та вим1рюють три проекцп' Вх, By, Bz вектора шдукцп' магштного поля [13]. Конструкция таких шдуктивних компо-iiciitíb перодбачас зменшоння розм1р1в та адаптащю пщ KOiiKpoTiii умови експлуатацй', зокрема для пристроТв в1ртуалыго1 роальност1 [14].
Сучасиим трендом розвитку систем магштного TpeKiiiry с використання концопцп' «злиття даних» (Data Fusion) та реал1защя цМ концопцп' в сенсоршй техшщ злиття ceiicopiB (Sensor Fusion) [15]. В да-ному koiitokctí мова йдо про поеднання 1идуктивиих котушок з шерщалышми 3D сенсорами [15,16]. Значну увагу при розробленш таких систем придшяють iiobítiiím pimeiiiMM сигнального тракту, яш noBiiniii в1дпов1дати вимогам мультифункщоналыгоста, ди-нам1чного конфшурування та програмування ро-жтпв роботи, критер1ям cyMiciiocTi з вбудованими системами (ES Embedded System) вищезгаданих пристроТв IoT, VR та AR тощо.
У вщповщноста до цього, в дашй робот пропо-нусться офективно pinioiiira сигнального тракту систем магштного трокшгу на ociiobí концопцп' «про-грамованих систем на кристал1 (nini)» (PSoC Programmable System on Chip) [18].
2 Анал1з проблеми
Основними проблемами, яш необхщно Biipiiny-вати в процей розроблоння систем магн1тного трокшгу, с забезпечення biicoko'í завадостайкоста ви-м1рювання корисних складових сигнал1в ceiicopiB при специф1чних умовах експлуатацй' (рис. 1). По-першо, на параметри сигналу мають суттсвий вплив олектромагн1тн1 завади CToponiiix випромшювач1в (ЕМ noise), зокрема, енергомереж, блошв живле-ння, пристроТв рад1озв'язку тощо. По-друго, в ря-д1 умов експлуатацй' спостершаеться спотвороння CTopoiiiiiMii об'сктами D (здебшыпого мотал1чии-ми предметами) просторового розподшу опорного ManiiTiioro поля, що сформуеться актюаторними ко-тушками. I, по-третс, мае мкце значна (до шести порядшв) 3mína píbim вхщних сигнал1в при 3míiií biflctani LC mdk сеисорними S та актюаторними А котушками (типово, напруги корисного сигналу змшюються в межах V = . 10-7 В).
В системах магн1тного трокшгу розглядають mí-н1мальну Lmin та максимальну Lmax вадсташ, в можах яких забезпочуються умови коректного ви-м1рювання. При цьому, мшмальна Lmin вщетань визначасться спотворонням форми сигналу сенсора при його значних píbimx. Типово р1вень обмеження
сигналу визначаеться напругою живлення сигнального тракту. Натомить, максимальна Ьмах вщ-стань визначаеться сшввщношенням сигнал-шум. При цьому, сшввщношення шформативних сигна-л1в, а саме, ампл1тудних значень напруг Ьа{Ь), на мшмальнш Ьмт та максимальтй вщстанях Ьмах визначаеться степеневою залежшстю:
va (lmin ) уа (lmax )
ос
i Lmax\ 3 V Lmin )
зокрема, при
Va (Lmin = 0.1) Va (Lmax = 1)
103
Дал1, при анал1з1 проблеми динам1чного д1апа-зону р1вня сигнал1в сигнального кола враховують залежтсть Уа взаемного кута нахилу а в па-р1 шдуктивних котушок «актюатор - сенсор». В першому наближенш ця залежтсть визначаеться як:
V(Ь, а) к V(Ь) • в1п(а0 + а),
де а0 - початкове значения кута, яке залежить вщ вибрано1 системи координат, взаемного розмщення сенсорно1 та актюаторних котушок та 1*х д1аграми направленоста.
При анал1з1 кутово1 роздшьно1 здатноста, не-обхщно щоб динам1чний д1апазон р1вня сигнал1в забезпечував вщ двох до чотирьох порядив, в зале-жноста вщ точноста вим1рювання. Вщтак, сумуючи компоненту змши вщстаней та компоненту змши взаемних кутав в пар1 шдуктивних котушок «актюатор - сенсор», сигнальний тракт систем магштного треюнгу повинен забезпечувати динам1чний д1апа-зон не менше шести порядив.
Рис. 1. Система магштного треюнгу в npocTopi
Представлена в данш статта програмована система магштного треюнгу е частиною комплексно! науково-дослщно1 роботи по розробленню ш-тегрованого середовища Magnetic Tracking System Integrated Development Environment (MTS IDE), що проводиться нашим колективом в рамках ряду ко-мерщйних проектав (розкриття детально!' шформа-цп про щ проекти обмежено умовами цих проектав). MTS IDE призначено для шдвищення ефективноста процесу розроблення та параметрично! оптим1зацп
вбудованих систем штегрованих сенсор1в електро-магштного треюнгу. Приклад тако1 системи для треюнгу руху людини в сенсорах в1ртуально1 реаль-носта, а також, деяю з використовуваних в систем! шдуктивних котушок, представлено на рис. 2.
В рамках ще1 роботи та у вщповщноста до про-веденого анал1зу, проблема забезпечення завадо-стшкоста до електромагштних завад виршуеться синхронним детектуванням корисних складових си-гнал1в, проблема значно1 змши р1вня вхщних си-гнал1в виршуеться динам1чною змшою коефщ1енту шдсилення, а проблема впливу стороншх металь чних об'ектав - змшою форми та частота опорних магштних пол1в. Таю змши реал1зуються, зокрема, перемиканням юл зворотного зв'язку пщсилювач1в та параметр1в задаючих генератор1в.
Рис. 2. Приклад вим1рювальних перетворювач1в та ïx розмщення в систем! магштного треюнгу руху людини
3 Bn6ip та конф1гурування компоненте сигнального тракту
Враховуючи вимоги до сучасно'1 мжроелектро-шки, зокрема до сенсорних пристроив 1нтернету Речей, сигнальний тракт сенсор1в магштного треюнгу реал1зовано на концепцп програмованих систем на кристал1, зокрема, на PSoC семейства 5LP Family Cypress Semiconductor Corporation. До структуры PSoC входять вузли цифрових та аналого-вих систем, вузли мжропроцесора, матрищ енер-гозалежно'1 та енергонезалежно'1 пам'ята, системы ресурси, а також вузли програмування та керува-ння енергоспоживанням. Основою цифрових вузл1в е матриця ушверсальних цифрових блоюв, спеща-л1зованих цифрових блоюв, зокрема для реал1зацп штерфейав, таймер1в, широтно-1мпульсних модуля-TopiB тощо. Аналоговими вузлами PSoC е блоки на перемикальних конденсаторах та блоки з непе-рервним сигнальним перетворенням, зокрема: опе-рацшш шдсилювач1, компаратори, джерела опорно!' напруги на принциш заборонено!' зони, аналогов! мультиплексори тощо. Вузли з'еднуються програм-но конфтурованою мережею сигнальних лшш.
Визначальними компонентами платформи PSoC5, на ocuoiii яких реал!зована програмоваиа система сигнального тракту магштних ceiicopii; трекшгу, (-: синтезуючий генератор (8-bit Waveform Generator. Wave DAC8), мультифункцюнальний Mi-ксер (Mixer) та шдсилювач з програмованнм коефь щентом шдсилення (Programmable Gain Amplifier. PGA). Програмне керування цимн компонентами здшснюеться, використовуючи набори в!дпов1дних API (Application Programming Interface) функцш. Розглянемо ociiomii функцюнальш можливост! цих компоненпв.
Синтезуючий генератор [19] реал!зовано на основ! буферованого 8-ми битного цифро-аналогового перетворювача. Форма синтезовашл хш-i.ii задаеться миттевими значениями напруги, яш збер!гаються в енергонезалежнш пам'ят! чша. Основними параметрами. як! задаються в процей конфиурування генератора (рис. 3), (-:: д!апазон змши сигналу (Range), тип синхрошзацп (Internal or External clock), кшь-шсть виборок за секунду (Sample rate. kSPS), тип xBi-mi (Wave type), амшптуда (Amplitude), змпцення (Offset), фаза (Phase) та кшьшсть виборок за один перюд синтезованого сигналу (Samples).
Визначальними для внрпнення задач! м1шм1зацп паразитного впливу сторопшх об'екпв на точшсть магштного трекшгу (-: можливост! оперативно!" змь нп форми сигналу магштного поля (вигцезгаданий параметр Wave type) та i'x частота (Sample rate. kSPS). Передбачений наб!р можливого внбору форми: синусощальний (Sine), прямокутний (Square), трикутний (Triangle). пилопод1бний (Sawtooth) та впзначеннй массивом точок (Arbitrary).
зуал1зуються вх1дн1 та вихщш сигнали, а також результаты швидкого перетвореиня Фур'к (Fast Fourier Transform, FFT) цих ci-iniaiii;. Для вир!шення поставлено!" в далий робот! задач! забезпечення писокоТ завадостшкост! внкорпстовуеться режим Up mixer, який внкорпстовуеться для реал1заци синхронною детектування ciiniaiii;.
Рис. 4. BIkho конфиурування Mixer
Шдсилювач з програмованнм коефпцентом шдсилення PGA [21] реал!зовано на основ! ушвер-сального блоку SC/CT, який може функцюнуватп, як в режим! динам!чного перемикання зворотних зв'язшв на матриц! конденсатор!в (Switched Capacitor). так ! в режим! поспйних зворотних зв'язшв (Continuous Time). Програмований коеф!щент шд-силення визнанаеты'я набором дпскретнпх значень: 1 (0dB),2,4,8,16,24,32,48 та 50(34 dB). Кр!м того, передбачена можлнвк-ть внбору р!вня струму живлення: впсокнй (High Power), середнш (Middle Power) та низький (Low Power). В (-вою чергу, щ р!в-н! струму живлення шдсилювача визначають його ширину смути робочих частот та швндшсть на-ростання внхщного сигналу. Амшптудно-частотна характеристика шдсилювача для вибраного р!вня струму живлення в!зуал!зуеться у в!кш конф!гуру-вання (рис. 5).
Рис. 3. Вшно конфиурування Wave DAC8
Мультифункцюнальннй м!ксер (Mixer) [20] ре-ал!зуе .модуляuiiо сигналу в одному з двох режи-м!в роботи: Up mixer - балансний мшсер непе-рервного чату (continuous-time balance mixer), що виконуе функщю перемикального перемножувача (switching multiplier) ciiniaiii; та Down mixer - mî-ксер дискретного чату (discrete-time), що виконуе функщю в!дбору та збереження (sample-and-hold) (сигналу. У в1кш конфиурування мжсера (рис. 4) проводиться виб!р режиму роботи та ряд шших параметр!в, зокрема р!вень (-труму живлення, ви-користання внутр!шнього (Internal) чи зовшшнього (External) лсжального осцилятора (Local Oscillator. LO), частота осщилятора (LO Frequency). Там же i;i-
Рис. 5. Вшно конфиурування PGA
4 Функцюнування та модельш досладження синхронного детектора
Задача завадоспйкого сигнального перетворен-ня виршгсна синхронним детектуванням на осно-в1 вшцезгаданого мультифункщонального мшсора (\Iixor) в рожихй 11р гшхег. Спрощена схема такого сигнального поротвороння представлена на рис. 6. Функгця детектуваиия здшсшоеться шляхом синхронного перемикання ш зворотного зв'язку оие-рацшного шдсилювача О А - резистор1в та
Яр в- Таке перемикання здшснюеться аналоговими ключами та комутатором Б\¥, що керуються
ввд синхрошзуючих 1мпульав Уви-
Рнс. 6. Схема синхронного детектуваиия сигналу
У додатнш фаз1 вхщного сигналу ключ S^ розь мкнений, S2 - замкнений, а комутатор SW з'еднуе вхвдне коло Vin з нешвертуючим входом опера-щйного шдсилювача OA. Вщтак. OA функцюнуе в рожихн повторювача входного сигналу (коофшд-ент передач! за напругою Ку = 1)- Натомшть, у ввд'емнш фаз1 вхвдного сигналу ключ Si замкнений, S2 - роз1мкнений, а комутатор SW з'еднуе иешвер-туючий вхщ операщйного шдсилювача OA з колом опорно! напруги Vref- Ввдтак, OA функцюнуе в режим1 швертора вхвдного сигналу (Ку = -1).
3 метою опттпзацп режтив роботи детектора та оперативного анатзу ефективност завадоспйко-го сигнального поротвороння була розроблена SPICE модель, схема яко! наведена на рис. 5. Розгляне-мо иризначоння основних компоненте цМ' модель Задаюче джорело напруги V_AC формуе сигнал, який використовуеться для гонерування опорного АС магштного поля та синхрошзацп схомн детокту-вання. Для формування синхрошзуючих iMnynbriB детектора використовуються нешвертуючий X_AD та пгоертуючий X_INV шдсилювачь Змпша та по-CTifnii складов! завад формуються джеролом шуму X_NS та джеролом постпшого змщення (off-set) V_DN. Bnxifliii 1миеданси цнх джорел продставля-ються резисторами R_IN та R_NS. Кола комута-цп синхронного детектора представлено ключами SW1. SW2 та SW3 типу S(V-Switch). Вихвдна напру-га продетоктованого сигналу формуеться на виходо операшйного шдсилювача Х_ОА. Дат ця напруга
фшьтруеться чи штогруеться. зокрема компонентом X INT.
Рнс. 7. Схема замщення SPICE модат сигнального поретворювача
Два типов! ириклади результате моделышх до-стджонь представлен! на рис. 8 (¡доатзований Bapi-ант без завад) та рис. 9 (вар1ант з врахуваниям пев-ного piBira електромагштного шуму та постпшого змщення иаразитно! складово! сигналу). Напруга у вузл1 6 (у ввдповвдносп до синтаксису SPICE використовуеться иозначоння V(6)) представляе вхвдний сигнал, напруга V(4) у вузл1 4 сигнал на виходо детектора, а напруга V(13) у вузл1 13 сигнал на виходо iiiTerpaTopa. Як цо вже ввдзначалося. розуль-тати таких моделышх дослвджень використовують для опттизацп режтпв роботи детектора та анатзу його ефективность
1.5Е-С 1.0Е-С 5.0Е-С
о.с
-5.0Е-С -1.0Е-С -1.5Е-С
1.5Е-03
1.0Е-03
5.0Е-04
0.0Е00
-5.0Е-04
1-5Е-06
1 0Е-06
0.0Е00
SD02.CIR
V(6),V
t,s
0.0Е00 5.0Е-04
1.0Е-03
1.5Е-03
2.0Е-03
V(4),V
t,s
0.0Е00 5.0Е-04
1.0Е-03
1.SE-03
2.0Е-03
V(13),V
t,s
0.0Е00 5.0Е-04
Рис. 8. Приклад моделышх доипджонь сигналу без завад
0.0Е00 6.0Е-04 1.0Е-03
Рис. 9. Приклад моделышх дослщжснь сигналу з завадами
5 Реал1защя сигнального тракту магштного трекшгу
Схема комутагщ компоненте илатформи РБоСо на р1вш кристалу розроблено! в рамках дано! роботи програмовано1 системи сигнального тракту магш-тних сенсор1в трскшгу наведена на рис. 10.
Рис. 10. Схема сигнального тракту в середовшщ PSoC Creator
Задаючий генератор. 1мпульси якого використо-вуються в бшыносп ш програмовано!' системи та задають частоту сформованого сигналу. реал1зова-но на TafiMepi Tirnor__l. В свою чоргу цей таймер синхрошзуеться шинним таймером BUS^CLK 24 MHz. Шсля букерування на Tpurepi TFF iMnynb-си задаючого генератора поступають на вхвд clock
генератора WavcDACS. який синтезуе форму сигналу. та вх1д подшышка частоти (Frequency Divider) Fro(LDiv_l. який формуе 1мпульси керування синхронним детектором. Коефщент подшу частоти К в повинен вщиовщати кшькосп виборок Ns за один порюд синтезованого сигналу (Samples) генератора WaveDAC8 (в даному ириклад1 К в = Ns = 120). Синхронно детоктування здшсшоеться мшее-ром Mixor_l.
Операщйний шдсилювач Opamp^l використо-вуеться для формування кола опорно! наируги Vref, р1вень яко1 може програмуватися в зале-жносп в1д специфши сигнального перетворення. В даному piiHCiini опорна наируга формуеться подшь-ником наируги живлення аналогових ш системи Vdda/2. Операщйний шдсилювач Opamp^l в режим! повторювача напруги використовуеться для формування синфазно! складово! вихадно! напруги. гцо використовуеться в актюаторах магштного поля. Натомкть. операщйний шдсилювач Орашр_2 в рожихй iiiBepTopa напруги (резистори iiiBepTopa не входять в структуру чшу. а вщтак. на cxoMi не вказа-ni) використовуеться для формування протифазно! складово! вихадно! напруги.
Вхщно коло системи мштить два постдовно з'еднаш програмован1 шдсилювач! сигналу PGA_1. PGA_2 з сумарним косфшдентом шдсиленш в д1а-пазош в1д 1 до 50x50 = 2500. Для иром1жного фшь-трування сигналу та зменшення сумарного piBira паразитно! напруги змщоння. яка присутня в шд-енлювачах. мЬк виходом PGA^l та входом PGA_2 використовуеться смуговий фшьтр па 30Biiininix (яш но входять в nin PSoC5) RC колах.
Задача фшьтрування сигналу теля мшеера Mi-xer^l синхронного детектора вщлшуеться актив-ним фшьтром другого порядку на оиоращйному шдсилювач1 Орашр_4.
IvpiM вищозгадаиих шдсилювач1в вхщно коло м1стить динахпчно корований чотириканалышй ана-логовий мультиплексор АМих_1, який уможливлюе комутацпо снгнал1в вщ чотирьох шдуктивних сен-copiB. На ирактищ бшын оптималышм ршонням с використання мультиплекса для трьох сигнал1в ортогонально розмпцених сенсор1в Lbx, Lby, Lbz та одного опорного сигналу. Цей опорний сигнал формуеться в сигнальному каш актюатора магш-тних пол1в та використовуеться для комиенеащ! парамотрично! ностабшыгосп компоненте системи. а вщтак. шдвшцоння точност втпрювального перетворення.
В систем! використано три аналого-цифрових поретворювача (АЦП). Основний з них 20-ти бтшй дольта-сигма АЦП ADC_DelSig_l викори-стовуеться для високоточного оцифровування вщ-фшьтрованих шформативних сигнал1в магштного трскшгу. Два iiiHii 10-ти 6iTiii АЦП поатдовно-го наближення (Successive Approximation Register) ADC_SAR_1 та ADC_SAR_2 використовуються
для експрес-анашзу форм сигнашв на виход! системи (на актюаторах магштного ноля) та виход! синхронного детектора (на м1ксер1 М1хег_1). Такс екснрес спостереження форм сигнашв е важливим в пронес! вщладки системи I обумовлюеться мо-жливими спотвореннями форми та фази сигнашв при нрограмуваши форми сигналив, перемиканш коефщштв шдсилення, шунту ванн! вих!дних ici.ii систоми вх!дним 1мпедансом актюатор!в магштного ноля тощо.
Мак(Уг програмовано! систоми сигнального тракту трекшгу на основ! СУ8С58ххЬР модуля СУ8СК1Т-059 |22| та позначно! к!лькост! зовшшшх насивних компонента (здебшыного ИС к!л фшьтру-вання сигнашв) ирод ставлено на рис. 11, нриклад оснилограф1чного дослщження вх!дного (1) та про-детектованого (2) сигнашв на рис. 12.
н! в!кна якого наведено на рис. 13. Показано, зокрема, в!кно керування режимами роботи та в!зуашза-цио результата вим!рювання задаючого сигналу та сигналу шсля синхронного детектуваиия.
Рис. 13. В!кна програмного забезночення
Приклад експериментааышх досшджень, зокрема спотворення форми сигнашв на виход! синхронного детектора при динам!чному перемикаши коефшдеиту шдсилення, представлено на рис. 14 (но ос! X представлено номер вим!рювання Sample а по ос! У сигнал в двшковому код! Signal a.u.). Перемикання здшснюеться но заданому алгоритму, зокрема, н!сля вим!рювання cepil з 1000 точок. Аналоочно нроводять дослщження при змии форми сигналу синусощальний (Sine), нрямоку-тний (Square), трикутний (Triangle), нилонод1бний (Sawtooth) та спениф1кований масивом точок (Arbitrary) в програм! вбудовапо! систоми.
Рис. 11. Макет програмовано! система сигнального тракту трекшгу на основ! модуля CY8CKIT-059
Рис. 12. Осдилограми сигнашв
Керування режимами роботи вим1рюва!1ышх кш здшснюеться з використанням ушверса.аьного но-слщовного штерфейсу UART. Компоненти PSoC конфн'уруються та дипам1чпо програмуються з ви-користаппям API функщй. Використовуючи щ API функщ! розроблено програмне забезночення, основ-
Рис. 14. Приклади експеримента.аышх дос.шджень
Результат! апробадп розроблено! систоми в задачах магштного трекшгу просторового иоложсшш будуть нредставлеш в наших настунних пубшкащ-ях. Задачами таких дослщжень будуть шдвищення точпост! та розширення зони вим1рювання просторового положения. Га.ауз! застосування розроблено! систоми радкхшектронш нристро! локально! нав!-гащ! для задач в1ртуа!1ьно! та доповнено! реальность трешг шструментв в задачах мааошвазивно! х1рур1'п, робототехшка, ашматрошка тощо.
Висновки
Продставлеш результата розроблоння програмо-Baiioï систоми сигнального тракту cciicopiB магш-тного трекшгу просторового положения. Показано. гцо основними проблемами, яш необхщно ви-piniyBaTii в процей розроблоння систем магштного TpoKinry е. забозпечоння широкого доапазону 3mí-ии сигнатв (до 120 dB) та biicokoï завадоспйкосп втирювання при спецшрчних умовах оксплуата-цп. Новизною представлоннх pimeiib с алгоритм завадостшкого поретвороння при динамичному пе-poMiiKainii napaMOTpiB сигнального тракту, гцо ство-рюс перодумови шдвигцення точносп та розши-рення зони втпрювання просторового положения. Враховуючи впмогп до сучасно! мшроолектрошки. зокрема до сонсорних иристроТв 1нтерноту Речей, сигналышй тракт cciicopiB магштного тракту ро-ал1зовано на концепцп програмоваиих систем на кристаль зокрема. на PSoC ймейства 5LP Family Cypress Semiconductor Corporation. Визначаль-ними компонентами платформи PSoCó. на осно-bí яких реал1зоваиа програмоваиа система, с 8-bit Waveform Generator, мультифункщоналышй Mixer та Programmable Gain Amplifiers. Програмне керу-вання цими компонентами здшсшоеться використо-вуючи набори в1диов1дних API функщй. на 6a3Í яких розроблено програмне забозпечоння керува-ння режимами роботи та в1зуал1зацп результат1в вим1рюваиия сигиал1в.
References
[1] Dongsik Jo and Gerard .lounghyun Kim. ("2016) ARloT: scalable augmented reality framework for interacting with Internet of Things appliances everywhere. IEEE Transactions on Consumer Electronics, vol. 62, iss. 3, pp. 334 340. DOl: 10.1109/TCE.2016.7613201
[2] Tobias Reichl, .losé Gardiazabal and Nassir Navab. (2013) Electromagnetic Servoing Л New Tracking Paradigm. IEEE Transactions on Medical Imaging, vol. 32, iss. 8, pp. 1526-1535. DOl: 10.1109/TM1.2013.2259636
[3] Ezequiel Navarro Pérez, Antonio Rojas Cuevas, Claudio Cañete Cabeza and etc. (2017) PREMO: VR EM Motion Tracking Sensors & Applications. PREMO S.L., 224 p.
[4] Dmytro Fedasyuk, Roman Holyaka and Tetyana Marusenkova. (2019) A Tester of the MEMS Accelerometers Operation Modes. 3rd International Conference on Advanced Information and Communications Technologies (Л1СТ), pp. 227-230. DOl: 10.1109/Л1ЛСТ .2019.8847840
[5] Dmytro Fedasyuk, Roman Holyaka and Tetyana Marusenkova. (2019) Method of Analyzing Dynamic Characteristics of MEMS Gyroscopes in Test Measurement Mode. 9th International Conference on Advanced Computer Information Technologies (ACl'l'), pp. 157-160. DOl: 10.1109/ AC ITT.2019.8780058
[6] Wooyoung Kim, .lihoon Song and Frank C. Park. (2018) Closed-Form Position and Orientation Estimation for a Three-Axis Electromagnetic Tracking System. IEEE
Transactions on Industrial Electronics, vol. 65, iss. 5, pp. 4331-4337. DOl: 10.1109/T1E.2017.2760244
[7] Hui He, Pratik Maheshwari and David .1. Pommerenke. (2016) The Development of an EM-Field Probing System for Manual Near-Field Scanning. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 58, iss. 2, pp. 356 363. DOl: 10.1109 / TE M C.2015.2496376
[8] Hossein Sadjadi, Key van Hashtrudi-Zaad and Gabor Fichtinger. (2016) Simultaneous Electromagnetic Tracking and Calibration for Dynamic Field Distortion Compensation. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 63, iss. 8, pp. 1771-1781. DOl: 10.1109/TBME.2015.2502138
[9] lan Sharp, Kegen Yu and Thuraiappah Sathyan. (2012) Positional Accuracy Measurement and Error Modeling for Mobile Tracking. IEEE Transactions on Mobile Computing, vol. 11, iss. 6, pp. 1021-1032. D01:10.1109/TMC.2011.119
[10] Shuang Song, Zheng Li, Haoyong Yu and Hongli-ang Ren. (2015) Electromagnetic Positioning for Tip Tracking and Shape Sensing of Flexible Robots. IEEE Sensors Journal, vol. 15, iss. 8, pp. 4565-4575. DOl: 10.1109/.I SEN.2015.2424228
[11] Alfred M. Franz, Tamâs Haidegger, Wolfgang Birkfellner, Kevin Cleary, Terry M. Peters and Lena Maier-Hein. (2014) Electromagnetic Tracking in Medicine A Review of Technology, Validation, and Applications. IEEE Transactions on Medical Imaging, vol. 33, iss. 8, pp. 1702-1725. DOl: 10.1109/TM1.2014.2321777
[12] Natasha Alves, Cecilia .lobst, Fanny Hotze, Paul Ferrari, Marc Lalancette, Tom Chau, Pascal van Lieshout and Douglas Cheyne. (2016) An MEG-Compatible Electromagnetic-Tracking System for Monitoring Orofacial Kinematics. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 63, is. 8, pp. 1709-1717. DOl: 10.1109/TBME.2015.2500102
[13] Alice Matthews. (2017) VR 3D electromagnetic motion tracking sensor.
[14] (2018) I'remo 3DV06 Datasheet, 26 p.
[15] Bjorn Waske and .Ion Atli Benediktsson. (2007) Fusion of Support Vector Machines for Classification of Multisensor Data. IEEE 'I¥ansactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 45, iss. 12, pp. 3858-3866. DOl: 10.1109/TGRS.2007.898446
[16] Isaac Skog. (2018) Inertial and Magnetic-Field Sensor Arrays - Capabilities and Challenge. IEEE sensors conference, pp. 1-4. DOl: 10.1109/1CSENS.2018.8589760
[17] Houde Dai, Shuang Song, Chao Hu, Bo Sun and Zhirong Lin. (2018) A Novel 6-D Tracking Method by Fusion of 5-D Magnetic Tracking and 3-D Inertial Sensing. // IEEE Sensors Journal, vol. 18, iss. 23, pp. 9640-9648. DOl: 10.1109/.I SEN.2018.2872650
[18] PSoC@ 5LP: CY8C52LP Family Datasheet: Programmable System-on-Chip.
[19] Cypress Semiconductor Corporation (2017) 8-Bit Waveform Generator (WaveDACS) 2.10. PSoC@ Creator™ Component Datasheet, 19 p.
[20] Cypress Semiconductor Corporation (2017) Mixer 2.0. PSoC(S) Creator™ Component. Datasheet, 16 p.
[21] Cypress Semiconductor Corporation (2017) Programmable Gain Amplifier (PGA) 2.0. PSoC® Creator™ Component Datasheet, 16 p.
[22] Cypress Semiconductor Corporation (2018) CY8CK1T-050 PSoC 5LP Development Kit. Guide.
Программируемая система сигнального тракта устройств магнитного тренинга для задач локальной навигации
Голяка Р. Л., Марусенкова Т. А., Прудиус И. П., Фабировский С. Е.
Работа посвящена проблематике аппаратно-программной реализации устройств магнитного тренинга для высокоточного определения положения объектов в пространстве, в частности в концепциях Интернета вещей и виртуальной реальности. Вазовый принцип метода магнитного трекинга базируется на расчете положения объектов по результатам динамического измерения вектора индукции опорных магнитных полей. Такие опорные магнитные поля формируются матрицами актюаторних катушек в низкочастотном диапазоне электромагнитного излучения. В данной работе решается задача разработки сигнального тракта устройств магнитного трекинга пространственного положения. Предлагаемые решения направлены на повышение точности и расширение зоны измерения пространственного положения, а их новизной алгоритм помехоустойчивого преобразования при динамическом переключении параметров сигнального тракта. Учитывая требования к современным радиоэлектронных устройств, сигнальный тракт реализовано на концепции программируемых систем на кристалле, в частности, PSoC семейства 5LP Family Cypress Semiconductor.
Ключевые слова: устройства локальной навигации; аппаратно-программные средства виртуальной реальности; магнитный трекинг; программируемая встроенная система
Programmable Signal Path System for Magnetic Tracking Devices for Local Navigation Tasks
Holyaka R. L., Marusenkova T. A., Prudyus I. N., Fabirovskyy S. E.
Introduction. The article is dealing with the Magnetic Tracking signal path for measurement of objects' positions in nearby places. The basic principle of the Magnetic
Tracking method is based on measurement of magnetic induction of the reference magnetic fields and the calculation of the objects position based on it.
Problem analysis. Big advantages of magnetic tracking technologies are the non-line-of-sight feature compared to optical tracking and high accuracy of long time measurement compared to inertial tracking. However, a very large signal range and significant distortions due to nearby metallic objects are serious drawbacks preventing magnetic tracking from being widely used.
Selection and configuration of signal path components. Taking into account the requirements of up-to-day microelectronics, in particular for the sensors of the Internet of Things, the signal path of the Magnetic Tracking sensors is implemented on the concept of System on Chip. Basic components of the signal path are software Programmable Waveform Generator, Programmable Gain Amplifiers and Programmable Mixer. Configurations of the components are provided by Application Programming Interface routines.
Functional and model studies of the synchronous detector. Noise immune processing is based on synchronous detector. SPICE simulations and analysis of this detector are provided.
Implementation of signal path of magnetic tracking. The signal converter has been implemented on the Programmable System on Chip PSoC 5LP (Cypress Semiconductor). The module CY8CKIT-059 Prototyping Kit has been used. The developed software for controlling the measurement process provides controlling the conversion mode, dynamic amplification switching, analog-to-digit converting, etc.
Conclusions. The novelty of the solutions presented in the work is the combination of signal amplification dynamic switching and the noise immune processing. Reference magnetic fields are formed by actuator coils in the low-frequency spectrum of electromagnetic waves. Signals are produced by sensor coils and are used for objects position calculation. Technologies of Magnetic Tracking are considered as high promising solutions for Virtual Reality, Augmented Reality and Internet of Things.
Key words: local navigation devices; hardware and software virtual reality; magnetic tracking; programmable embedded system
