基于嵌入式磁阻控制采集系统.docx

1、基于嵌入式磁阻控制采集系统*实践教学*兰州理工大学计算机与通信学院年春季学期嵌入式系统课程设计题 目： 基于嵌入式磁阻控制采集系统 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 成 绩： 摘要磁阻传感器模块采用单轴磁场变化传感器来感应单一方向的磁变化量，有正负之分。本文设计了一个磁阻传感器采集控制系统，介绍了该系统的基本原理，系统分析，详细设计及实现流程图，并重点介绍了串口数据收集的原理，通过嵌入式设备完成室内环境信息 的采集至网关设备，通过上下位机实现终端嵌入式设备的信息收集及相关设备的控制。 关键词：嵌入式、磁阻传感器、串口通信目录一、前言 31.1课题研究背景 31.2课程研究目的和意义

2、3二、基本原理 42.1磁阻传感器 42.2磁阻传感器采集模块 52.3 CC2530 串口通信原理 6三、系统分析 7四、详细设计 84.1 实现磁阻采集的硬件部分 84.2 总体结构软件图 9五、结论总结 16六、参考文献 17一、前言1.1课题研究背景随着3C融合进程和我国传统产业结构升级的加速，人们对设备越来越高的应用需要已经无法满足当前和未来高性能的应用与发展需求。显然，嵌入式系统的软、硬件技术和开发手段，正日益受到重视，成为各领域技术创新的重要基础。目前，嵌入式系统是近年来发展很快的计算机方面的学科方向，并迅速渗透到控制、自动化、仪器仪表等学科。嵌入式方向包括了软硬件协同设计、嵌入

3、式体系结构、实时操作系统、嵌入式产品设计等方面的知识，大于当代大学生，更需要掌握嵌入式系统设计的典型开发工具和开发核心技术。对于嵌入式市场的发展来说，中国市场的意义更加重大。中国市场对于嵌入式互联网这场革命来说非常关键。勃勃的生机，很好的产业互动，良好的协作精神，中国现在正在形成-个健康的嵌入式的发展模式和转型模式。中国可能是-个引发点，嵌入式市场先在中国蓬勃发展，然后辐射到全球其他地区。1.2课程研究目的和意义Linux操作系统是-个开放源代码的免费操作系统，它不仅安全、稳定、成本低，而且很少发现有病毒传播，越来越的服务器、工作站和个人电脑开始使用Linux软件，基于Linux具有稳定、可靠

4、和强大的网络功能这些优点。在Linux环境下实现-个boa web服务。二、基本原理本实验将使用 CC2530 读取磁阻传感器的磁感应强度及轻度的垂直分量与水平分量的数据，并 通过 CC2530 内部的 ADC 得到光照传感器的数据。最后将采样到的数据转换然后在 LCD 上显示。其中对磁阻数据的读取是利用 CC2530 的 I/O（P1.0 和 P1.1）模拟一个类 IIC 的过程。其中该系统所使用的是HMC1002。2.1磁阻传感器磁阻传感器是利用磁性金属在磁场中电阻变小的磁阻效应来测量磁感应强度及磁感应轻度的水平分量和垂直分量的传感器，由于它体积小，灵敏度高，易安装等特点，在弱电磁场测量方

5、面有广泛的应用前景。磁阻传感器特点：磁场范围宽：磁场范围为6微高斯，仍保持很高的灵敏度，最小可检测磁场为85高斯体积小：可组合三轴(XYZ)或单独检测1轴或2轴，1轴传感器有8脚SIP封装或8脚SOIC封装固态：和磁通门相比，磁阻传感器减少了线路板组装成本，增加了可靠性和坚固程度低功耗：驱动置位/复位和偏置电路的电路全面降低，并减少了周边线路成本低，适合大批量生产磁阻传感器的原理 ：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

6、(被测磁场)，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。磁阻传感器的应用：磁阻传感器不仅可以用来测量地磁场的存在，强弱和方向，而且可以测量来自永磁体、软磁体、车辆移动、脑电波的活动及电流所产生的磁场。由于磁阻传感器可以不经过物理接触就能测出它们的特性，磁阻传感器变成了许多工业和航海控制系统至关重要的部件。2.2磁阻传感

7、器采集模块基于 HMC1022 磁引信的信号采集模块，其硬件电路包括磁探测电路、信号放大电路、信号滤波电路和 基于 MSP430F149 芯片的 A/D 转换电路。模块软件采用 C 语言编写，并在 ICCAVR 集成环境中编辑、编译。实验结 果证明整个系统具有精度高、功耗低、接口方便和微型化的优点。 磁传感器的物理特性 ：HMC1022是利用磁阻效应构成的AMR各项异 性磁阻传感器，其敏感元件以硅作衬底，在其上制 作 4 个相同的 NiFe（铁镍）合金带构成惠斯通电桥。 4 个相同的磁敏电阻器（NiFe 合金带）MR（Magnetic Resisitive）供桥路电源电压 Vbridge，产生

8、流经电 阻器 R 的电流，垂直方向的磁场使对立的 2 个电阻 器阻值升高，使另外的 2 个电阻器的阻值降低，在 线性范围内，输出电压 Vout 和被测磁场强度成 正比，即在外部磁场的作用下，磁阻的变化引起输 出电压（Vout和 Vout）的变化，并直接表示磁 场的强度。此外，HMC1022 型磁阻传感器内部集 成两套互相垂直的惠斯通电桥，分别用来测量与芯 片平行和垂直方向的磁场 Bx 和 By。 数据采集模块构成 ：该模块负责数据采集和传送及接收数据处理系统的命令。采集磁场变化数据，对采集到的数据进行判断，将正确的数据传送给数据处理系统，错误和误差较大的数据则剔除。该模块由磁敏传感器芯片 HM

9、C1022 电路、信号放大电路、信号滤波电路和 A/D 转换电路组成， 但主芯片MSP430F149具有12位的A/D 转换模块， 因此 A/D 转换功能由 MSP430F149 完成，如图 1。 Bx By 串行 通信 图 1 数据采集模块结构框图 2.3 CC2530 串口通信原理 UART 接口使用 2 线或含有引脚 RXD、TXD、可选 RTS 和 CTS 的 4 线。 UART 操作由 USART 控制和状态寄存器 UxCSR 以及 UART 控制寄存器 UxUCR 来控制。这里的 x 是 USART 的编号，其数值为 0 或者 1。 当 UxCSR.MODE 设置为 1 时，就选择

10、了 UART 模式。 当 USART 收/发数据缓冲器、寄存器 UxBUF 写入数据时，该字节发送到 输出引脚 TXDx。UxBUF 寄存器是双缓冲的。 当字节传输开始时，UxCSR.ACTIVE 位变为高电平，而当字节传送结束时为 低。当传送结束时，UxCSR.TX_BYTE 位设置为 1.当 USART 收/发数据缓冲寄 存器就绪，准备接收新的发送数据时，就产生了一个中断请求。该中断在传送开 始之后立刻发生，因此，当字节正在发送时，新的字节能够装入数据缓冲器。 当 1 写入 UxCSR.RE 位时，在 UART 上数据接收就开始了。然后 UART 会在输入引脚 TXDx 中寻找有效起始位，

11、并且设置 UxCSR.ACTIVE 位为 1.当 检测出有效起始位时，收到的字节就传入到接收寄存器，UxCSR.RX_BYTE 位 设置为 1.该操作完成时，产生接收中断。同时 UxCSR.ACTIVE 变为低电平。 通 过 寄 存 器 UxBUF 提 供 到 的 数 据 字 节 。 当 UxBUF 读 出 时 ， UxCSR.RX_BYTE 位由硬件清 0。三、系统分析该系统通过HMC1002磁阻传感器实现对磁感应强度及轻度的水平分量与垂直分量的采集，将信号送至节点，从节点采集磁阻数据，每隔一定的时间轮流向主节点发送，主节点收到数据之后通过串口将各节点的数据传给智能主板。 具体步骤描述: （

12、1）给智能主板供电（USB 外接电源或 2 节干电池）； （2）将一个无线节点模块插入到带 LCD 的智能主板的相应位置； （3）将磁阻传感器模块插入到智能主板的传感及控制扩展口位 置； （4）接下来将 CC2530 仿真器的一端通过 USB 线（A 型转 B 型）连接 到 PC 机，另一端通过 10Pin 下载线连接到智能主板的 CC2530 JTAG 口 （J203）； （5）将智能主板上电源开关拨至开位置。按下仿真器上的按钮，仿真器上 的指示灯为绿色时，表示连接成功； （6）在主机编写程序并调试，下载到下位机运行。 （7）观察 LCD 上磁场数据的变化。 四、详细设计本设计是基于 CC2

13、530 的磁阻采集系统设计。因此，其重点是磁场数据采集设计的实现 实现磁场数据采集的硬件部分主要包括：无线传感基本结构、无线传感实现 原理、本设计所使用的试验箱以及软件支持、常见的无线传感模块以及实现基于 CC2530 的磁场数据采集系统节点模块设计。 4.1 实现磁阻采集的硬件部分 嵌入式温湿度采集系统的硬件部分可以大体有无线传感基本结构、无线传感 实现原理、本设计所使用的试验箱以及软件支持、常见的无线传感模块以及实现 基于 CC2530 的温湿度采集系统节点模块设计等组成。其具体内容如下： 1、无线传感基本结构及实现原理 无线传感器网络在设计目标方面是以数据为中心的，在无线传感器网络中，

14、因为节点通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，所以除了少数节 点也要移动外，大部分节点是静止不动的。在被检测区域内，节点任意散落，节 点除了需要完成感测特定的对象外，还需要进行简单的计算，维持互相之间的网 络连接等功能。并且由于能源的无法替代以及低功耗的多跳通信模式，设计无线 传感节点时，有效的延长网络的生命周期以及节点的低功耗成为无线传感器网络 研究的核心问题，其无线传感节点模型如下图： 图2 设计硬件部分图 无线传感网络的建立是基于传感器加无线传输模块的，传感器采集的数据， 简单处理后经过无线传输模块传到服务器或应用终端。目标，观测节点，传感节 点和感知视场是无线传感器网络所包括

15、的4个基本实体对象。大量传感节点随机 部署，单个节点进过初始的通信和协议，通过自组织方式自行配置，形成一个传 输信息的单跳链接或一系列无线网络节点组成的网络，协同形成对目标的感知视 场。传感节点检测的目标信号经过传感器本地简单处理后通过单播或广播以多跳 的方式通过邻近传感节点传输到观测节点。用户和远程任务管理单元则能够通过 卫星通信网络或 Internet 等外部网络，与观测节点进行数据信息的交互。观测 节点向网络发布查询请求和控制指令，接受传感节点返回的目标信息。 2、使用的试验箱以及软件支持 物联网创新试验系统 IOV-T-2530采用系列传感器模块和无线节点模块组成 无线传感网，扩展嵌入式网关实现广域访问，可实现多种物联网构架，完成物联 网相关的各种传感器的信息采集、无线信号收发，组件控制 全过程。该工具提供了无线传感网通信模块，基本的传感器及控制器模块、嵌入 式网关、计算机服务器参考软件等。 3、实现磁阻采集系统节点模块设计 实验系统包含4个无线传感网通信节点和一个无线网络协调器，其中具体情 况如下： 无线节点模块：主要有射频单片机构成，MCU 是 TI 的 CC2530，2.4G 载频， 棒状天线。 传感器及控制模块：包括温湿度传感