数字罗盘的设计与误差补偿方法的研究毕业设计论文 精品.docx

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数字罗盘的设计与误差补偿方法的研究毕业设计论文精品

安徽建筑工业学院

毕业设计（论文）

专业通信工程

班级10通信

（1）班

学生姓名王宇轩

学号10205040238

课题数字罗盘的设计与误差补偿方法的研究

——系统总体设计

指导教师金勇

2014年6月

课题名称数字罗盘的设计与误差补偿方法的研究

——系统总体设计

院系：

电子与信息工程学院系别：

通信工程

姓名：

王宇轩学号：

10205040238

班级：

10通信

（1）班导师：

金勇

摘要

本文在了解地磁导航的原理、磁罗盘用途的基础上，针对国内外数字罗盘研究开发的现状，采用各向异性磁阻传感器（AMR）、双轴加速度计（MEMS）、结合单片机芯片，研制了一种低成本、高精度基于磁阻技术的具有倾斜补偿功能三维数字罗盘。

本文分析了磁阻效应、磁阻传感器及加速度计的工作原理及输出信号特征，重点介绍了整个系统的工作原理及组成，确定了各项系统指标和主要器件的选型，完成了三维数字罗盘系统的总体设计，论述了系统的硬件电路设计及软件的总体设计思想。

利用该方案设计的三维数字罗盘测量系统，硬件上具有体积小、重量轻、功耗和成本低等特点；软件设计采用模块化设计方法，可修改性强，能根据需要方便地进行修改。

关键词：

磁阻传感器双轴加速度计C8051F320总体设计

Abstract

Basedonunderstandingoftheprincipleofmagneticnavigationandtheuseofmagneticcompass,Knowingthedigitalcompass’sresearchanddevelopmentofdomesticandforeign,Usinganisotropicmagnetoresistivesensor（AMR）,dual-axisaccelerometer（MEMS）,combinedwithsinglechip,Basedonmagnetoresistivetechnologydevelopedalowcostwithhighaccuracy’sthree-dimensionaldigitalcompass.Thepaperanalyzesthemagnetoresistance,magnetoresistivesensorandtheaccelerometeroutputsignalcharacteristicsoftheworkingprinciple,Introducethefocusofthewholesystemworksandcomposition,identifiedthemaincomponentsofthesystemindicatorsandtheselection,completethethree-dimensionaldigitalcompasssystemdesignarediscussedhardwarecircuitdesignandsoftwaredesignideas.Thisdigitalcompassmeasurementsystem,thehardwareissmall,lightweight,powerconsumptionandlowcost;softwaredesignusethemodulardesignmethodcanbemodifiedandstrong,caneasilybemodifiedasneeded.

Keywords:

MagnetoresistivesensorDual-axisaccelerometerC8051F320Overalldesign

1引言

1.1课题背景及意义

地磁导航是一种重要的导航方式，广泛应用于航海、海上平台控制、GPS集成死区推估等方面。

地磁导航可以作为组合导航的辅助导航方式，随着多传感器融合技术的不断发展，单一的导航系统都有着各自的独特性能与局限性，将地磁导航与GPS导航等导航方式联用，弥补其不能定向的缺点及其它外界因素所带来的精度误差，就可实现利用多种信息源互相补充和校正，构成一种有多余度和导航准确度更高的多信息源组合导航系统。

磁罗盘[1][2]作为地磁导航的重要工具，可实时提供航向，广泛应用于航空、航海、车载定位等领域。

在微控制器广泛应用的今天，利用磁阻器件和单片机可以制作集成化和智能化的数字罗盘，本课题正是在此基础上设计并制作具有倾角补偿功能的三维数字罗盘[3]。

磁罗盘主要分为磁通门和磁阻式。

虽然磁通门传感器能够提供低成本的磁场探测方法，但它们体积偏大、易碎、响应时间慢。

而使用磁阻传感器的磁罗盘具有体积小、重量轻、精度高、可靠性强、响应速度快等优点，是未来磁罗盘的发展方向。

在国外数字式磁罗盘已经发展成为一种重量轻、体积小、稳定性、可靠性的姿态传感器，并且被广泛应用于航空、航天、航海、车辆导航等领域[4]。

随着科技和现代测控事业的发展，对测向传感器的精度提出了更高的要求，国外已研制出了高精度的数字式磁罗盘。

由于受MEMS技术和计算机技术发展的制约，我国在数字罗盘研制领域的进展相对缓慢大多航向精度不高，抗干扰能力和可靠性相对国外产品较差。

由于数字罗盘三轴磁阻传感器具有测量平面地磁场，双轴倾角补偿、高速高精度A/D转换，并且内置温度补偿，可最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移等特点，已经越来越广泛的取代传统定位。

1.2研究内容

本课题需要设计一种采用各向异性磁阻传感器（AMR）、双轴加速度计（MEMS）、结合单片机芯片，研制一种低成本、高精度基于磁阻技术的具有倾斜补偿功能三维数字罗盘，并根据系统精度误差来源的分析提出相应的误差补偿方案。

三维数字罗盘中利用磁阻传感器的磁阻效应测量地球磁场强度在X、Y、Z轴的分量，结合加速度计测得罗盘的俯仰角和横滚角并以此对X、Y轴的磁场强度作倾斜补偿，从而确定航向角。

本子课题通过了解地磁导航的原理，分析磁阻效应、磁阻传感器的工作原理及其输出信号特征；分析加速度计的工作原理及输出信号特征，进而分析整个系统的工作原理及组成，确定各项系统指标，完成三维数字罗盘系统的总体设计。

从而实现三维数字罗盘的系统功能。

系统主要功能：

测量地球磁场强度在X、Y、Z轴的分量；测得罗盘的俯仰角和横滚角；对X、Y轴的磁场强度作倾斜补偿，从而确定航向角。

1.3论文结构

本论文共分为五章。

第一章：

引言，主要介绍课题的背景及意义，课题的主要研究内容和内容结构，并对数字罗盘在国内国外的研究发展状况进行了论述。

第二章：

数字罗盘的工作原理，本章简述了地磁测量的数学原理，并详细分析了航向、姿态计算理论。

第三章：

介绍系统总体设计方案，介绍测量航向角的基本原理和基本计算方法，并画出系统总体框图及设计指标。

第四章：

介绍系统硬件设计，简单介绍本设计中上层板和下层板的关键电路的总体设计并附电路图。

第五章：

介绍系统软件设计，简要说明了系统软件设计的总体流程及方法。

2数字罗盘的工作原理

数字罗盘最基本的工作原理——磁阻效应，磁阻传感器正是根据磁阻效应生产的电子器件。

三维数字罗盘正是利用磁阻传感器的磁阻效应测量地球磁场强度在X、Y、Z轴的分量，结合加速度计测得罗盘的俯仰角和横滚角并以此对X、Y轴的磁场强度作倾斜补偿，从而确定航向角。

2.1数字罗盘测量原理

系统首先采集三轴加速度计和三轴磁阻传感器的信号，由于磁阻传感器的输出均为mV级的电压信号，所以必须经过信号放大器调理后，才可以送到微处理器进行模数转换并进行实时的姿态矩阵计算，同时进行系统误差校正，最终得到稳定的姿态参数。

2.1.1磁阻效应及磁阻传感器

磁阻效应[5]指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象，是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。

在达到稳态时，某—速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。

这种偏转导致载流子的漂移路径增加，或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加，种现象称为磁阻效应。

磁阻效应原理图如图2-1所示。

图2-1磁阻效应原理图

磁阻传感器是利用薄膜工艺和微细加工技术制作成的，具体来讲是磁阻传感器它是采用半导体加工工艺，将各向异性铁磁材料（玻莫合金、镍铁合金）熔制在硅片上，形成条形薄膜[6]。

形薄膜中通以电流，并施加垂直于电流的磁场时，薄膜电阻会发生明显变化，其电阻阻值取决于电流方向和磁化方向的夹角，而磁化方向取决于薄膜材料的易磁化轴、形状和磁化磁场的方向。

2.1.2角度测量与方向计算

地球的磁场强度为0.3～0.6高斯（随地理位置变换而变化，在确定的位置，地磁场强度恒定）。

磁力线从南极指向北极，在两极垂直于地球表面，在赤道平行于地球表面。

磁南北极与地理南北极并不重合，而是有一个11.5º的夹角。

地理北（南）极和磁北（南）极问的偏差角称为磁偏角[7]。

磁偏角随地理位置变化而变化，只要知道具体位置的经纬度，就可以计算出磁偏角，从而通过修正获得的正确方向角（文中所提及的方向角都是相对于磁北极而言的）。

图2-2是地球磁场三维矢量示意图。

航向角（

）：

载体纵轴在水平面上的投影与地理子午线之间的夹角。

俯仰角（

）：

载体纵轴和纵向水平轴之间的夹角。

横滚角（

）：

载体纵向对称平面与纵向铅垂平面之间的夹角。

图2-2地球磁场三维矢量示意图

将磁阻传感器的3个敏感轴沿载体的3个坐标轴安装。

分别测量地磁场磁感应强度H在载体坐标系3个坐标上的投影分量

。

在地平坐标系中，磁阻传感器的三轴输出为

。

令

，

，则可得：

设3轴加速计测得的重力加速度为GX，GY，GZ，可得：

2.2系统构成

本文研究的磁罗盘由磁阻传感器、加速度计组成的信号采集模块，由放大器、微处理器、置复位电路等组成的数据处理模块，由USB口等外围电路以及LCD液晶显示屏组成的数据显示模块等组成。

磁阻传感器输出的三轴磁场强度信号和双轴加速度计输出的重力信号经过放大器电路和微控制器处理后得到航向和姿态信息。

电源模块用于为整个系统的模拟供电，置复位电路用于恢复磁阻传感器在强磁干扰后的灵敏度。

2.3数字罗盘模块

2.3.1磁阻传感器

磁阻传感器是基于磁阻效应工作原理生产的电子器件。

其核心部分采用一片特殊金属材料——磁性材料，磁性材料（如坡莫合金）具有各向异性，对它进行磁化时，其磁化方向将取决于材料的易磁化轴、材料的形状和磁化磁场的方向。

当给带状坡莫合金材料通电流I时，材料的电阻取决于电流的方向与磁化方向的夹角。

如果给材料施加一个磁场B，就会使原来的磁化方向转动。

如果磁化方向转向垂直于电流的方向，则材料的电阻将减小，如果磁化方向转向平行于电流的方向，则材料的电阻将增大。

磁阻效应传感器一般有四个这样的电阻组成，并将它们接成电桥。

在被测磁场B作用下，电桥中位于相对位置的两个电阻阻值增大，另外两个电阻的阻值减小。

在其线性范围内，电桥的输出电压与被测磁场成正比，电阻值随外界磁场的变化而变化，通过外界磁场的变化来测量物体的变化或状况。

广泛应用于低磁场测量，角度和位置测量[9]。

磁阻传感器特点：

（1）灵敏度高，输出信号幅值大，并与旋转速度的大小无关；

（2）体积小，结构简单，金属盒封装，耐油污粉尘；

（3）频率特性优良，能检测”静止”状态的转速；

（4）内偏置磁钢；

（5）抗电磁干扰能力强；

（6）磁阻传感器具有高精度、高灵敏度、高分辨率、良好稳定性和可靠性、无接触测量及宽温度范围；

（7）可进行动态和静态测量。

2.3.2加速度计

加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器[10]。

当传感元件以加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，发生与加速度成正比a的形变，使悬臂梁随之产生应力和应变。

该变形被粘贴在悬臂梁上的扩散电阻感受到。

根据硅的压阻效应，扩散电阻的阻值发生与应变成正比的变化，将这个电阻作为电桥的一个桥臂，通过测量电桥输出电压的变化可以完成对加速度的测量。

多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。

所谓的压电效应就是“对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应”。

加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。

由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。

2.3.3运算放大器

运算放大器是一种直流耦合，差模输入、通常为单端输出的高增益电压放大器。

一个理想的运算放大器必须具备下列特性：

无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。

最基本的运算放大器如图2-3。

一个运算放大器模组一般包括一个正输入端（OP_P）、一个负输入端（OP_N）和一个输出端（OP_O）。

图2-3最基本的运算放大器

本系统中由于磁阻传感器的输出信号幅度很小，无法直接实现航向角的测量，同时为了充分利用AD，使转换得到满量程，需要对输出信号加以放大。

普通运算放大器一般都有毫伏级的失调电压和每度几微伏的温漂，因此不能直接用于放大微弱信号，考虑到放大器的开环增益、共模抑制比、输入阻抗、输出阻抗、频带宽度、温度漂移等指标以及罗盘有X轴、Y轴、Z轴三路电桥电压需要放大，系统要求选用的放大器应该是高精度、低漂移、低噪声集成的多路运算放大器。

2.3.4微控制器

微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。

C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片[12]，具有与8051兼容的CIP-51微控制器内核，采用流水线结构，单周期指令运行速度是8051的12倍，全指令集运行速度是原来的9.5倍，是目前世界上速度最快的8位单片机。

因此，C8051F系列单片机作为SOC芯片的杰出代表能够满足绝大部分场合的复杂功能要求。

C8051F320是一款性能优化的SOC高速单片机，也是一个功能强大的USB接口器件。

C8051F320片内自带有USB收发器和控制处理器是它区别与同一系列产品的一大特点。

用C8051F320来进行USB技术开发既方便又快捷。

是集成的混合信号片上系统SOC（Systemonchip），具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。

片内JTAG仿真电路提供全速的电路内仿真，不占用片内用户资源。

内部Flash存储器可实现在系统编程，既可作程序存储器也可作非易失性数据存储。

支持断点、单步、观察点、运行和停止等调试命令，并支持存储器和寄存器校验和修改。

2.4外围模块

2.4.1电源模块

系统中根据选定的芯片供电要求需提供多种稳压电源，所以应该设计有不同伏值的电源接口和其他电压调节模块，电压调节模块的功能是将一个直流电压转换为另一个直流电压。

首先，根据所选的单片机确定相应的电压供电；此外，磁阻传感器输出的电压很小，需要经放大器放大再输入到单片机IO口，这样在放大器的电阻分压电路处要接入一个合适的基准电压，从而保证输入单片机的模拟电压在规定范围内，因此电路中还设计有相应的基准电压源。

2.4.2各种接口

（1）USB接口

USB是近年发展起来的一种快速，灵活的总线接口。

它最大的特点是易于使用、可热插拔、接口连接灵活，并且能够提供外设电源，在嵌入式系统及智能仪表中得到广泛的应用。

而51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术、高性价比被广泛应用于测控仪器等自动化领域。

因此用51系列单片机实现USB主机接口，进而实现对USB外设的控制，对提高整个系统的数据存储、数据传输、设备控制等性能都有很大的作用。

本文论述的方案基于压强测试仪的应用环境，在开发压强测试仪的过程中根据实际的需求，要求能够存储大量数据，以往的解决方案是RS.232C接口，但由于传输速度慢、在高速采样时容易导致数据丢失，而且必须有上位机的参与，这对于室外作业很不方便。

USB接口克服了上述缺点，测试仪器可以把采集到的数据保存到u盘，工作人员可以随时取下u盘，将数据拿到异地进行分析。

（2）JTAG接口

JTAG（JointTestActionGroUp）联合测试行动小组）是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试。

现在多数的高级器件都支持JTAG协议，如DSP、FPGA器件等。

标准的JTAG接口是4线：

TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。

JTAG最初是用来对芯片进行测试的，基本原理是在器件内部定义一个TAP通过专用的JTAG测试工具对进行内部节点进行测试。

JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，能实现对各个器件分别测试。

现在，JTAG接口还常用于实现ISP，对FLASH等器件进行编程。

JTAG编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程现再装到板上因此而改变，简化的流程为先固定器件到电路板上，再用JTAG编程，从而大大加快工程进度。

JTAG接口可对PSD芯片内部的所有部件进行编程。

通常所说的JTAG大致分两类，一类用于测试芯片的电气特性，检测芯片是否有问题；一类用于DebUg；一般支持JTAG的CPU内都包含了这两个模块。

一个含有JTAGDebUg接口模块的CPU，只要时钟正常，就可以通过JTAG接口访问CPU的内部寄存器和挂在CPU总线上的设备，如FLASH，RAM，SOC（比如4510B，44Box，AT91M系列）内置模块的寄存器，像UART，Timers，GPIO等等的寄存器。

2.5本章小结

本章介绍了罗盘的工作原理，罗盘的工作原理中讲到了磁阻效应是数字罗盘的最基本的工作原理，地磁场的水平分量永远指向磁北为磁罗盘的制作基础。

随后对数字罗盘的微控制器的外围电路设计中的各个模块进行了简单的介绍。

3系统总体设计

为了提高航向测量精度，克服现有设计中的某些不足，本课题采用各向异性磁阻传感器（AMR）、双轴加速度计（MEMS）、结合微处理器芯片制作出一个具有倾斜补偿功能的三维数字罗盘，此三维数字罗盘利用磁阻传感器的磁阻效应测量地球磁场强度在X、Y、Z轴的分量，结合加速度计测得罗盘的俯仰角和横滚角并以此对X、Y轴的磁场强度作倾斜补偿进而确定航向角。

3.1系统方案与设计指标

本系统总体方案设计主要包括由磁阻传感器、加速度计组成的信号采集模块，由放大器、微处理器、置复位电路等组成的数据处理模块，由USB口、JTAG口等外围电路及LCD液晶显示屏组成的数据显示模块。

系统总体设计框图如图3-1所示：

图3-1系统总框图

使用霍尼韦尔公司的各向异性磁阻传感器HMC1052[9]球磁场在X，Y轴的分量，HMC1051Z测量地球磁场Z轴分量。

输出信号经过放大后送入C8051F320单片机进行模数转换及数据处理，利用磁阻传感器感测得的地球磁场强度来确定航向；双轴加速度计测得俯仰角与横滚角，完成对X、Y轴磁场强度的计算补偿。

通过倾角计算、坐标变换得到的地磁航向角经过修正得到地理航向角，航向角以数字输出的形式通过串口发送到PC机，除此之外，采用LCD液晶显示屏直接显示航向角

不同应用的航向角精度不同，如应用于各类导航和精确定位系统的数字罗盘其航向精度为±0.8°，俯仰、翻滚精度为±0.5°；在超低空遥感平台应用的数字罗盘航向角精度优于0.5°，俯仰和翻滚角精度优于0.2°然后确定本系统的指标为：

航向角测量范围为0°~360°，在倾角在-60º~+60°范围内航向角精度为

3°。

3.2主要器件选型

选择霍尼韦尔公司的各向异性磁阻传感器HMC1052、HMC1051Z，ADI公司的双轴加速度计ADXL202，Cygnal公司的单片机C8051F320以及台湾矽创电子公司的ST7920型显示器等。

下面分别介绍主要器件的性能特性及工作原理。

3.2.1主控芯片

C8051F320是由美国Cygnal公司推出的C8051F系列单片机中的一款小型单片机[11]，采用开关网络以硬件方式实现I/O端口的灵活配置。

在这种通过交叉开关配置的I/O端口系统中，单片机外部为通用I/O口，如P0口、P1口和P2口。

内有输入/输出的电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。

其内部结构图如图3-2所示。

图3-2C8051F320内部结构示意图

它是集成的混合信号片上系统SOC（Systemonchip）[15]，具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。

内部Flash存储器可实现在系统编程，既可作程序存储器也可作非易失性数据存储。

片内JTAG仿真电路提供全速的电路内仿真，不占用片内用户资源。

支持断点、单步、观察点、运行和停止等调试命令，并支持存储器和寄存器校验和修改。

C8051F320片内自带有USB收发器和控制处理器是它区别与同一系列产品的一大特点。

用C8051F320来进行USB技术开发既方便又快捷[16]。

C8051F320功能部件及特点：

（1）模拟外设[17]10位的ADC（±1LSBINL）:

其最大可编程转换速率可达200kbps，可多可有17个外部输入，可编程为单端输入或差分输入，内置一个温度传感器、二个模拟比较器、2.4V的内部电压基准和精确的Vdd监视器和欠压检测器。

（2）USB功能控制模块满足USB2.0协议，可在全速（12Mbps）或低速（1.5Mbps）下运行，集成有一个时钟恢复源，对于全速或低速传输均可不用外部晶振；8个灵活通用的端点，内置一个1K的USB专用缓冲存储器，集成了一个USB接收器，不需要外部电阻。

（3）片内调试模块片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试（不需仿真器），支持端点、单步、观察点、堆栈监视器，可以观察/修改存储器和寄存器，比使用仿真芯片、目标仿真头和仿真插座的仿真系统有更好的性能。

（4）工作温度范围:

0～70℃

（5）高速8051微控制器内核采用流水线指令结构，其70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期，速度可达25MIPS（时钟频率为25MHz时）。

（6）存储器1280字节的内部数据RAM（1K+256），16K字节的可以在系统编程的Flash闪速存储器。

（7）数字外设25个字节宽的端点I/O，所有口线均耐5V电压，可同时使用UART串口、硬件SMBusTM、SPITM，带有4个可编程的16位计数器/定时器阵列，带有5个捕捉/比较模块的通用16位计数器/定时器。

（8）时钟源内部晶振，精度为0.25，支持所有USB和UART模式，外部晶振器:

晶体、RC、C或外部时钟，内置一个针对USB控制器的片上时钟乘法器。

（9）供电电压片上的参考电源校准器支持USB总线电源操作，校准器的Bypass模式支持USB内部电源操作。

（10）性能特点C8051F320在保持CISC结构及指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水作业，推出了CIP-51的CPU模式，从而大大提高了指令运行速度，使8051兼容机系列进入了8位高速单片机行列。

传统的单片机I/O端口大都是