数字电子指南针的设计.docx
《数字电子指南针的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电子指南针的设计.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
数字电子指南针的设计
数字电子指南针的设计
摘要：
指南针是一种重要的导航工具，可运用在多种场合。
早起指南针采用磁化指针和方向盘相结合的方式，整个指南针从灵敏度，便携性上都有一定的不足。
电子指南针内部结构固定，没有移动部分，可以简单的和其他电子系统接口，因此可以代替旧的磁指南针。
以精度高，稳定性好而得到广泛的运用。
本文将详细介绍磁阻（MR）传感器HMC5883L的工作原理，以此为基础利用该芯片采集磁场数据，通过高速微控制器（MCU）完成数据的加工处理，最后以液晶显示器12864完成方位显示功能。
关键字：
电子指南针；MR;HMC5883L;MCU（MSP430F149）
Abstract:
Thecompassisakindofimportantnavigationtool，whichcanbeusedinmanyoccasions.Theearlycompassmagnetizedpointerandthesteeringwheelcombinationway,theentirecompassfromsensitivity,portabilityhascertaininsufficiency.Electroniccompassinternalstructureisfixed,nomovingparts,canbesimpleandotherelectronicsysteminterface,soitcanreplacetheoldmagneticcompass.withhighprecision,goodstabilityandwideuse.
Thispaperintroducesthemagneto-resistive（MR）sensorworkingprincipleHMC5883L,withthisasafoundationwiththechipcollectingfielddata,viaahighspeedmicroprocessorcontrolunit（MCU）dataprocessingfinallyto12864LCDcompleteazimuthdisplayfunction.
Keyword:
electroniccompass;MR;HMC5883L;MCU
1引言
1.1课题背景
指南针的发明是我国汉族人民在长期的实践中对物体认识的结果。
由于生产劳动，人们接触了磁铁矿，又开始对磁性性质的了解。
人们首先发现了磁石吸引铁的性质，又发现了磁石的指向性。
最早的指南针是用天然的磁体做成的，这说明中国汉族劳动人民很早就发现了天然磁铁及其吸铁性。
据古书记载，远在春秋战国时期，由于正处在奴隶制社会向封建社会过渡的大变革时期，生产力有了很大的发展，特别是农业生产更是发达，因而促使了采矿业、冶炼业的发展。
在长期的生产实践中，人们从铁矿石中认识了磁石。
最早的指南针是司南。
司南由青铜盘和天然磁体制成的磁勺组成，青铜盘上可有二十四向，磁勺置于盘中心圆面上，静止时，磁勺的尾部指南，故为司南。
但司南有很多的缺陷，天然磁体不易找到，在加工是容易因打击，受热而导致失磁。
所以司南磁性毕竟很弱，而且司南由一定的重量和体积，携带很不方便，使得司南长期未得到广泛的应用。
随着人们对指南针的认识的不断深入，指南针也有先前笨拙的＂司南＂发展到现在的便携式的指南针．但其基本构造是没有改变的，都是属于机械的指针式，其指示的机械结构上没有改变，都是利用某种支撑使得磁针能够收到磁场的影响而自由的旋转．由于机械的先天因素导致了指针式的便携性，灵敏度，精度以及使用寿命上都有一定的限制
电子指南针内部结构固定，没有移动部分，可以简单的和其它电子系统接口，并以精度高、稳定性好等特点．因为它的这些特性在工业，军事生活等领域得到广泛的应用，并且可以代替旧式的针式指南针和罗盘指南针。
由于国内外电子技术的飞速发展，特别是在磁传感器和专用芯片（ASIC）上的发展使指南针的基本实现原理有了质的改变，不再是机械结构而采用磁场传感器和专用的处理器对磁场进行测量和处理后指示方向，这就是当前比较为广泛的电子式指南针。
2方案的比较与论证
方案一利用KMZ52磁场传感器
KMZ52是Philip公司生产的一种磁阻传感器，是利用坡莫合金薄片的磁阻效应测量磁场的高灵敏度磁阻传感器。
该磁阻传感器内置两个正交磁敏电阻桥、完整的补偿线圈和设置/复位线圈。
补偿线圈的输出与当前测量结果形成闭环反馈，使传感器的灵敏度不受地域限制。
这种磁阻传感器主要用于导航、通用地磁测量和交通检测。
该磁阻传感器在金属铝的表面沉积了一定的厚度的高磁导率坡莫合金，在翻转线圈和外界磁场的两个力的作用下，电子改变运动方向，使得磁敏电阻的阻值发生变化。
同时KMZ52的斑马条电阻成45°放置，这使得电子在正反向磁场力的作用下有较好的对称性。
由于加入了翻转磁场，KMZ52的变化曲线与普通的磁敏电阻不同，更加的线性化。
KMZ52磁阻传感器的核心是惠斯通电桥，是由4个磁敏感应元件组成的磁阻桥臂。
磁敏感元件由长而薄的坡莫合金薄膜制成。
在外加的磁场的作用下，磁阻的变化引起输出电压的变化。
但KMZ52输出为模拟量，而且幅值很小，不能直接与单片机进行通信，如果需要通信，需外接放大电路等外围电路。
图1KMZ52内部结构图
方案二利用HMC5883L磁场传感器
霍尼韦尔HMC5883L是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。
HCM5883L包括最先进的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器，自动消磁驱动器，偏差校准，能使罗盘精度控制在1°～2°的12位模数转换器。
简易的IIC系统总线接口。
HMC5883L是采用无铅表面封装技术，带有16引脚，尺寸为3.0X3.0X0.9mm。
HCM5883L的所应用领域有手机，笔记本电脑，消费类电子，汽车导航系统和个人的导航系统
HCM5883L采用霍尼韦尔各向异性磁阻（AMR）技术，该技术的优点是其他磁传感器技术所无法企及。
这些各向异性传感器具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点。
传感器带有的对于正交轴低敏感性的固相结构能用于测量地球磁场的方向和大小，其测量范围从毫高斯到8高斯（gauss）。
霍尼韦尔的磁传感器在低磁场传感器行业中是灵敏度最高和可靠性最好的传感器。
综上所述方案二更方便我的设计，也有利于对嵌入式系统的进一步学习，所以我选择方案二。
3系统硬件电路设计
3.1系统框图
图2系统框图
设计选择HMC5883L作为磁场传感器采集地磁场数据，该模块采用IIC通信与430通信，MSP430F149没有IIC通信接口须使用普通I/O口模拟IIC通信，数据有单片机分析处理，最后由12864液晶显示器显示地理方向。
3.2MSP430F149开发板
本次设计选择TI的MSP430的开发板，具有超低功耗、处理能力强大、片内外设丰富、系统工作稳定、开发环境便捷等显著优势，和其他类型单片机相比具有更好的使用效果、更广泛的应用前景。
板上已经集成RS232接口、12864液晶接口、用该开发板由于板上集成各种外围接口不但能有利于完成本次设计更可以在以后进一步学习嵌入式系统。
3.2.112864液晶模块的连接
板上提供一个标准的ST7920控制器的12864液晶接口，可以连接任何以ST7920为驱动的12864液晶模块。
12864的液晶对比度调节可以通过电位器来调节，PSB是液晶数据传输模式选择位，如果PSB接高电平则液晶工作在并行数据传输模式，如果PSB接低电平则液晶工作在串行数据模式。
17脚是液晶的复位端，此端口直接与液晶供电（LCD）相连，上电后液晶模块自动完成复位功能。
它与MCU的连接关系示意图如下：
图312864连接电路
与HMC5883L模块的连接
设计选用HMC5883L集成模块，该模块集成了传感器所需的电阻电容等外围器件直接采用或5V供电。
能直接与MSP430F149单片机进行通信SDA为串行数据-IIC总线主/从数据，SCL为串行时钟—IIC总线主/从时钟。
选用MSP430F149单片机的与模拟IIC通信接口，MSP430F149与HMC5883L的连接图如下：
HMC5883L模块MSP430单片机
图4指南针芯片连接电路
系统电源
开发板有两种电源选择，其一直接5V直流电源，其次为USB接口供电。
不过两种供电方式都通过了同一个芯片进行了电平转换为在把电压给MCU保证了电压的稳定。
图5电源控制电路图
3晶振
系统采用32K低频晶振，该晶振已经集成到了开发板上，不再需要另行设计。
开发板上还集成有8MHz的高频晶振，如果需要换用晶振只需要做程序的修改即可。
图6晶振电路图
3.3数字指南针系统整体电路
图7整体系统电路图
3.4HMC5883L的IIC通信
HMC5883L通过两线I2C总线系统作为一个从机装置进行通信。
HMC5883L使用是一个IIC协议所定义的简化后的通信接口协议，通过这一文件，数据传输速率是标准的模式100kbps或400kbps速率，如I2C总线规格中所规定。
总线位格式是一个8位数据/地址传送和1位应答位。
格式的数据字节（有效载荷）应区分HMC5883L从机上的大小写的ASCLL字符或二进制数据，以及返回的二进制数据。
负二进制值将是以二进制的补码形式。
默认（出厂）HMC5883L7位从机地址0x3C的写入操作，或0x3D的读写操作。
HMC5883L串行时钟（SCL）和串行数据（SDA）线需要主机（通常是主机微处理器）和HMC5883L之间装有上拉电阻（Rp）.在标称VDDIO电压下建议负载电阻值约为10千欧姆。
其他的电阻值也可以由I2C总线规格定义后连接到VDDIO上。
总线规格的SCL和SDA线可以连接到多个装置上。
总线可以是一个单一主机到多个主机，也可以是一个多个主机配置。
所有数据传输均由产生时钟信号的主机发起，数据传输是8位进行。
所有装置都由I2C唯一的7位的地址标注。
在每8位传输之后，主机装置产生一个第9个时钟脉冲，并释放SDA的线。
接受装置（指向的从机）将SDA线拉至低位确认（ACK）传输成功或使SDA线处于高位表示否定确认（NACK）。
按I2C规格，所有SDA线中的传输必须发生在SCL低时。
但当SCL处于高位时，在总线上与SDA传送时这一要求会导致两种特别的情况。
主机将SDA拉低，而SCL线是高，表明开始（S）的条件；当SDA的线被拉高而SCL处于高位，这是停止（P）的情况。
I2C总线协议还允许重新启动的条件，这时主机发出第二次启动条件还没有叫停。
所有总线传送从主机发出启动序列开始，然后发出从机地址字节。
地址字节包含从机地址；先7位（bits7-1）和最低有效位（LSB的）。
如果指定的运作是一个读出（LSb的=1）或写入（LSb的=0），地址的LSb字节会标志出来。
在第9个时钟脉冲，接收的从机装置会发出ACK。
这些总线事件以后，主机将发送数据字节以便写入操作，或从机在读出操作时进行时钟输出。
所有总线的传送在主机发出停止序列时终止。
I2C总线控制或可用任何硬件逻辑也可在软件中实现。
典型的硬件设计将释放SDA和SCL适当地允许从机操纵这些线路。
在软件执行时，必须注意执行这些任务的代码。
3.5数据处理
HMC5883L是三轴磁场传感器，分别是X，Y，Z三轴，三轴正交便于测量磁场数据，对X，Y，Z坐标数据进行运算不难得出磁场方向。
HMC5883L内部拥有6个数据寄存器分别存储X，Y，Z三个方向的磁场数据。
数据输出X寄存器是两个8位寄存器，数据输出寄存器A和B。
这些寄存器储存从通道X所测量的结果。
数据输出X寄存器A储存一个来测量结果中的MSB（高位数据），数据输出X寄存器B储存一个来自测量结果中的LSB（低位数据）。
储存在这两个寄存器的值是一个16位值以二进制的补码形式存在，其范围是0XF800到0X07FF。
DXRA0至DXRA7，DXRB0至DXRB7标识出位置，DXRA和DXRB标识出在数据输出寄存器X中的位。
DXRA7和DXRB7标识出数据流的第一位。
表1数据输出X寄存器A和B
DXRA7
DXRA6
DXRA5
DXRA4
DXRA3
DXRA2
DXRA1
DXRA0
0
0
0
0
0
0
0
0
DXRB7
DXRB6
DXRB5
DXRB4
DXRB3
DXRB2
DXRB1
DXRB0
0
0
0
0
0
0
0
0
上图中的“0”为默认值，当下一次测量完成之后这写值会被自动覆盖。
X，Y，Z数据输出寄存器拥有一样的结构这里不再详述。
读出X，Y，Z坐标其中Z的值理论上为0，因为Z轴垂直于地磁场，此时只需对X，Y轴坐标值进行计算即可得出角度a.
角度计算公式：
a为航向角，即罗盘与磁场的方向角。
地理方向与磁场方向间还存在一个磁偏角，所以a加上当地磁偏角才为我们所需要求取的角度。
4主要元器件的介绍
4.1MSP430F149简介
4MSP430F149的基本信息
MSP430系列单片机是一种16位的单片机。
由于它具有集成度高，外围设备丰富，以及超低功耗等优点，因此在许多的领域内得到了广泛的应用。
特别是它的超低功耗特性，是目前其他单片机不可比拟的。
另外，MSP430F系列单片机有非常强的处理能力，因此非常适合一些对处理器要求较高的嵌入式系统。
MSP430系列单片机支持C语言开发。
采用C语言开发可以大大提高开发效率，缩短开发周期，并且开发的程序具有较好的可读性和移植性。
图8MSP430引脚图
4MSP430F149的运用
作为信号处理芯片，主要运用其以下几个功能：
由于指南针芯片采用IIC通信，但该芯片没有IIC接口，所以使用I/O口用程序模拟的方法模拟IIC通信。
对于从指南针芯片中提取到的数据运用430单片机进行处理，430单片机为新一代单片机具有强大的数据处理能力。
它采用的是16位的RISC结构，指令的执行时间只需要150ns的时间，是传统单片机不能比拟的。
运用串口通信模块进行调试。
该单片机提供了USATR0，USATR1两个串口，调试过程用USATR0进行调试。
最后采用该单片机控制12864显示出地理方位。
4MSP430F149的I/O端口特点
该单片机有48个I/O管脚，每个管脚可以单独设置成输入输出，并且每个管脚可以进行单独的读写，主要特点如下:
每个I/O端口可以独立编程设置。
输入输出可以任意结合使用。
P1端口和P2端口的中断功能可以单独设置。
有独立的输入输出寄存器。
P2，P1端口有7个功能寄存，分别是PxDIR，PxIE，PxIES，PxIFG，PxIN，PxOUT，PxSEL等7个寄存器。
（x为1或2）
PxDIR：
控制管脚输入输出方式。
PxIE：
中断使能控制。
PxIES：
中断触发方式选择。
PxIFG：
中断标志寄存器。
PxIN：
输入寄存器。
PxOUT：
输出寄存器。
PxSEL：
功能选择寄存器
P3、P4、P5、P6端口分别拥有4个寄存器，输入输出控制方向寄存器，输出寄存器，输入寄存器，功能选择寄存器。
4.2HMC5883L简介
4HMC5883L的基本信息
霍尼韦尔HMC5883L是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。
霍尼韦尔HMC5883L磁阻传感器电路是三轴传感器并应用特殊辅助电路来测量磁场。
通过施加供电电源，传感器可以将量测轴方向上的任何入射磁场转变成一种差分电压输出。
磁阻传感器是由一个镍铁（坡莫合金）薄膜放置在硅片上，并构成一个带式电阻元件。
在磁场存在的情况下，桥式电阻元件的变化将引起跨电桥输出电压的相应变化。
这些磁阻元件两两对齐，形成一个共同的感应轴（如引脚图上的箭头所示），随着磁场在感应方向上不断增强，电压也会正向增长。
因为输出只与沿轴方向上的磁阻元件成比例，其他磁阻电桥也放置在正交方向0上，就能精密测量其他方向的磁场强度。
图9HMC5883L的外形图图10HMC5883L的引脚图
特征：
●3轴和磁阻传感器和ASIC都被封装在 LCC的表面装备中
●12bitADC与低干扰AMR传感器，能在±8高斯的磁场中实现5毫高斯分辨率
●内置自检功能
●低电压工作（）和超低低功耗（100uA）
●内置驱动电路
●IIC数字接口
●无引线封装结构
●磁场范围广（+/-8Oe）
●有相应软件及算法支持
●最大输出频率可达160Hz
优点：
●小尺寸高集成度产品。
大批量生产只需添加微控制器接口、两个贴片电容，低成本OEM封装，易于安装，适合高速SMT组装
●达到1°—2°度罗盘航向精度
●发布会后允许低功耗功能测试
●适用于电池供电的应用场所
●带有设置/复位和偏置驱动器用于消磁、自测和偏移补偿
●适用于消费类电子设备应用中通用双线串行数据接口
●符合RoHS标准
●传感器在强磁场的环境下可达到1°—2°度罗盘航向精度
●可获得罗盘航向、硬磁、软磁以及制自动校准库
●能应用于个人导航系统和LBS
下面给出HMC5883L的引脚的配置：
表2：
引脚配置表
引脚
名称
描述
1
SCL
串行时钟-IIC总线主/从时钟
2
VDD
电源电压（）
3
NC
无连接
4
S1
连接VDDIO
5
NC
无连接
6
NC
无连接
7
NC
无连接
8
SETP
置位/复位带正-S/R电容（C2）连接
9
GND
电源接地
10
C1
存储电容（C1）连接
11
GND
电源接地
12
SETC
S/R电容（C2）连接-驱动端
13
VDDIO
IO供电（）
14
NC
无连接
15
DRDY
数据就绪，中断引脚。
内部拉高。
选项为连接。
保持250微秒的低电压时，数据被放置在数据输出寄存器。
16
SDA
串行数据-IIC总线主/从数据
4.3SMG12864G2-ZK液晶显示模块的概述
SMG12864G2-ZK是128X64点阵的汉字图形型显示模块，可显示汉字及图形，内置GB2312码简体中文字库（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。
可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理器:
8位并行及串行两种连接方式。
具有多种功能：
光标显示、画面移位、睡眠模式等。
表312864引脚说明
引脚号
引脚名称
方向
功能说明
1
VSS
--
模块的电源地
2
VDD
--
模块的电源正端
3
VO
--
LCD驱动电压输入端
4
RS（CS）
H/L
并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号
5
R/W（STD）
H/L
并行的读写选择信号；串行的数据口
6
E（SCLK）
H,H/L
并行的使能信号；串行的同步时钟
7
DB0
I/O
数据0
8
DB1
I/O
数据1
9
DB2
I/O
数据2
10
DB3
I/O
数据3
11
DB4
I/O
数据4
12
DB5
I/O
数据5
13
DB6
I/O
数据6
14
DB7
I/O
数据7
15
PSB
H/L
H：
并行数据模式；L：
串行数据模式
16
NC
--
空脚
17
/RST
H/L
复位低电平有效
18
NC
--
空脚
19
BLA
--
背光源正极（LED+5V）
20
BLK
--
背光源负极（LED-OV）
5HMC5883L的校准
电子指南针主要是通过感知地球磁场的存在来计算磁北极的方向。
然而由于地球磁场在一般情况下只有微弱的高斯，而一个普通的手机喇叭当相距2厘米时仍会有大约4高斯的磁场，一个手机马达在相距2厘米时会有6高斯的磁场，这一特点使得针对电子设备表面地球磁场的测量很容易受到电子设备本身的干扰。
磁场干扰是指由于具有磁性物质或者可以影响局部磁场强度的物质存在，使得磁传感器所放置的位置上的地球磁场发生了偏差。
如图11所示，在磁场传感器的X，Y，Z坐标系中，绿色的圆表示地球磁场矢量绕Z轴圆周转动过程中在XY平面内的投影轨迹，在没有外界任何磁场干扰的情况下，此轨迹将会是一个标准的以O（0，0）为中心的圆。
当存在外界磁场干扰的情况时，测量得到的磁场强度矢量a将为该点地球磁场b与干扰c的矢量和。
磁传感器X，Y坐标以及磁力线投影轨迹如下图所示。
图11磁场干扰偏转图
5.1HMC5883L芯片的自测
为确定HMC5883L是否能正常运行，其配备了自测功能模块以激励传感器偏移带产生一个待测的标称磁场强度（偏差磁场）。
为执行该自测，配置寄存器A的最低位（MS1和MS0）从00更改为01。
然后，通过在模式寄存器中设置进入单一测量模式（0x01），在每个磁矢量0其实有两个测量数据。
第一次为置位脉冲后的外部磁场的测量数据。
第二次是由X，Y，Z三轴设置为正偏置的模式，传感器内部偏置带产生的正偏置电流（大约~10mA），而创建一个高斯的自测磁场，再加上外部磁场的测量数据。
第二次测量值减去第一次测量值即可得出一个纯净的地磁测量值，而可以存放于数据输出寄存器中。
5.2HMC5883L芯片的校准方法
一般指南针的芯片的校准都可以选用平面旋转校准，HMC5883L同样可以采用这样的方法校准。
针对XY轴的校准，将配备有磁传感器的设备在XY平面内自转，如图8，等价于将地球磁场矢量绕着过点Oxy垂直与XY平面的法线旋转，则以Oxy为圆心的园为磁场矢量在旋转过程中在XY平面内投影的轨迹。
这可以找到圆心的位置（Xmax+Xmin）/2，（Ymax+Ymin）/2。
5.3旋转平台的设计
在旋转过程中为了保证芯片采集数据的准确性，电子指南针必须得保证水平放置，且旋转速度保证稳定。
由于要保证速度与水平的稳定性，所以必须得设计一个旋转平台，该平台可以采用一个简单的步进电机进行设计。
选用四相步进电机，工作方式为四相八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA），采用ULN2003A作为驱动，单片机选用STC80C52作为处理芯片。
校准平台系统电路图如下：
图12校准平台电路图
5软件总体流程图
图13整体系统流程图
图15IIC通信流程图
升级会员 