【正文】 文 ) 13 某個(gè)特殊功能的輸入 /輸出口 ， 可以是單功能或多功能 ， I/O 端口可編程選擇為單向 /雙向以及上拉、開漏等。 (2)USB 功能控制模塊 滿足 協(xié)議 ， 可在全速 (12 Mbps)或低速 ( Mbps)下運(yùn)行 ， 集成有一個(gè)時(shí)鐘恢復(fù)源 ， 對(duì)于全速或低速傳輸均可不用外部晶振 ； 8 個(gè)靈活通用的端點(diǎn) ， 內(nèi)置一個(gè) 1K 的 USB 專用緩沖存儲(chǔ)器 ， 集成了一個(gè) USB 接收器 ， 不需要 外部電阻。 圖 32 C8051F320 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 它是集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng) SOC(System on chip)[15]， 具有與 MCS51 內(nèi)核及指令集完全兼容的 微控制器 ， 除了具有標(biāo)準(zhǔn) 8051 的數(shù)字外設(shè)部件之外 ， 片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。~+60176。 176。一個(gè)含有JTAG DebUg 接口模塊的 CPU，只要時(shí)鐘正常，就可以通過 JTAG 接口訪問 CPU 的內(nèi)部寄存器和掛在 CPU 總線上的設(shè)備，如 FLASH， RAM， SOC（比如 4510B， 44Box，AT91M 系列）內(nèi)置模塊的寄存器， 像 UART， Timers， GPIO 等等的寄存器?，F(xiàn)在多數(shù)的高級(jí)器件都支持 JTAG 協(xié)議，如 DSP、 FPGA 器件等。首先， 根據(jù) 所選 的 單片機(jī) 確定相應(yīng)的 電壓供電；此外，磁阻傳感器輸出的電壓 很小 ， 需要 經(jīng)放大器放大 再輸入到 單片機(jī) IO 口 ， 這樣在放大器的電阻分壓電路處要接入一個(gè) 合適 的基準(zhǔn)電壓，從而保證輸入單片機(jī)的模擬電壓在規(guī)定范圍內(nèi)，因此電路中還設(shè)計(jì)有 相應(yīng)的 基準(zhǔn)電壓源。 C8051F320 是一款性能優(yōu)化的 SOC 高速單片機(jī) ， 也是一個(gè)功能強(qiáng)大的 USB 接口器件。一個(gè)理想的運(yùn)算放大器必須具備下列特性：無限大的輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無限大的開回路增益、無限大的共模排斥比的部分、無限大的頻寬。當(dāng)傳感元件以加速度 a 運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用，發(fā)生與 加速度成正比 a 的形變，使懸臂梁隨之產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。如果給材料施加一個(gè) 磁場(chǎng) B，就會(huì)使原來的磁化方向轉(zhuǎn)動(dòng)。分 別測(cè)量地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度 H在載體坐標(biāo)系 3個(gè)坐標(biāo)上的投影分量 ?? ZYX HHH 。磁南北極與地理南北極并不重合，而是有一個(gè) 。 磁阻效應(yīng)及磁阻傳感器 磁阻效應(yīng) [5]指某些 金屬 或 半導(dǎo)體 的 電阻 值隨外加 磁場(chǎng) 變化而變化的現(xiàn)象，是由于載流子 在磁場(chǎng)中受到 洛倫茲力 而產(chǎn)生的。第一章： 引言， 主要介紹課題的背景及意義，課題的主要研究 內(nèi)容 和內(nèi)容結(jié)構(gòu)，并對(duì)數(shù)字羅盤在國(guó)內(nèi)國(guó)外的研究發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了論述。由于受 MEMS 技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的制約，我國(guó)在數(shù)字羅盤研制領(lǐng)域的進(jìn)展相對(duì)緩慢大多航向精度不高，抗干擾能力和可靠性相對(duì)國(guó)外產(chǎn)品較差。地磁導(dǎo)航可以作為組合導(dǎo)航的輔助導(dǎo)航方式，隨著多傳感器融合技術(shù)的不斷發(fā)展，單一的導(dǎo)航系統(tǒng)都有著各自的獨(dú)特性能與局限性，將地磁導(dǎo)航與 GPS導(dǎo)航等導(dǎo)航方式聯(lián)用，彌補(bǔ)其不能定向的缺點(diǎn)及其它外界因素所帶來的精度誤差，就可實(shí) 現(xiàn)利用多種信息源互相補(bǔ)充和校正，構(gòu)成一種有多余度和導(dǎo)航準(zhǔn)確度更高的多信息源組合導(dǎo)航系統(tǒng)。利用該方案設(shè)計(jì)的 三維數(shù)字羅盤測(cè)量 系統(tǒng)，硬件上具有 體積小、重量輕、功耗和成本低等特點(diǎn) ；軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，可修改性強(qiáng)，能根據(jù)需要方便地進(jìn)行修改。而使用磁阻傳感器的磁羅盤具有體積小、重量輕、精度高、可靠性強(qiáng)、響應(yīng)速 度快等優(yōu)點(diǎn)，是未來磁羅盤的發(fā)展方向。 從而實(shí)現(xiàn) 三維數(shù)字羅盤的系統(tǒng)功能。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 2 數(shù)字羅盤的工作原理 數(shù)字羅盤最基本的工作原理 —— 磁阻效應(yīng)，磁阻傳感器正是根據(jù)磁阻效應(yīng)生產(chǎn)的電子器件。形薄膜中通以電流，并施加垂直于電流的磁場(chǎng)時(shí)，薄膜電阻會(huì)發(fā)生明顯變化，其電阻阻值取決于電流方向和磁化方向的夾角，而磁化方向取決于薄膜材料的易 磁化軸、形狀和磁化磁場(chǎng)的方向。 俯仰角 (? )：載體縱軸和縱向水平軸之間的夾角。 數(shù)字羅盤模塊 磁阻傳感器 磁阻傳感器是基于磁阻效應(yīng)工作原理 生產(chǎn)的電子器件。廣泛應(yīng)用于低磁場(chǎng)測(cè)量，安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 角度和位置測(cè)量 [9]。 加速度傳感器就是利用了其內(nèi)部的由于加速度造成的晶體變 形這個(gè)特性。 微控制器 微控制器是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。內(nèi)部 Flash 存儲(chǔ)器可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程，既可作程序存儲(chǔ)器也可作非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。本文論述的方案基于壓強(qiáng)測(cè)試儀的應(yīng)用環(huán)境，在開發(fā)壓強(qiáng)測(cè)試儀的過程中根據(jù)實(shí)際的需求，要求能夠存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，以往的解決方案是 接口，但由于傳輸速度慢、在高速采樣時(shí)容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，而且必須有上位機(jī)的參與，這對(duì)于室外作業(yè)很不方便。 JTAG 編程方式是在線編程，傳 統(tǒng)生產(chǎn)流程中先對(duì)芯片進(jìn)行預(yù)編程現(xiàn)再裝到板上因此而改變，簡(jiǎn)化的流程為先固定器件到電路板上，再用 JTAG 編程，從而大大加快工程進(jìn)度。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖 31 所示： 信 號(hào) 采 集信 號(hào) 放 大放 大 器O P 4 1 3單 片 機(jī)C 8 0 5 1 F 3 2 0A i n 1A i n 2A i n 3D o D i 0 D o 1由 I R F 7 5 0 9 組 成的 置 復(fù) 位 電 路輸 出H M C 1 0 5 2磁 阻 傳 感 器H M C 1 0 5 1 Z磁 阻 傳 感 器A D X L 2 0 2加 速 度 計(jì)S / RS / RU S B 口輸 出串 口 輸 出L C D 液 晶顯 示 屏H xH yH z橫 滾 角俯 仰 角 圖 31 系統(tǒng)總框圖 使用霍尼韋爾公司的各向異性磁阻傳感器 HMC1052[9]球磁場(chǎng)在 X， Y 軸的分量，HMC1051Z 測(cè)量地球磁場(chǎng) Z 軸分量。然后確定本系統(tǒng)的指標(biāo)為：航向角測(cè)量范圍為 0176。在這種通過交叉開關(guān)配置的 I/O 端口系統(tǒng)中，單片機(jī)外部為通用 I/O 口，如 P0 口、 P1 口和 P2 口。用 C8051F320 來進(jìn)行 USB 技術(shù)開發(fā)既方便又快捷 [16]。 (8)時(shí)鐘源內(nèi)部晶振 ， 精度為 ， 支持所有 USB 和 UART 模式 ， 外部晶振器 :晶體、 RC、 C 或外部時(shí)鐘 ， 內(nèi)置一個(gè)針對(duì) USB 控制器的片上時(shí)鐘乘法器。 C8051F320 是一款完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片 ， 片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。 近乎完美的正交雙軸感應(yīng)（誤差 度），且靈敏度互相匹配，消除了指向誤差。當(dāng)橋路加上供電電壓時(shí)，傳感器將磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓輸出。傳感器的芯片上有兩個(gè)磁耦合的電流帶：偏置電流帶和置位電流帶，省去了外加線圈的需要。 ADXL202傳感器由振蕩器， X、 Y方向傳感器，相位檢波電路以及占空比調(diào)制器組成，具有數(shù)字輸出接口和模擬電壓信號(hào)輸出接口。 ADXL202在慣性導(dǎo)航、傾斜感應(yīng)、地震監(jiān)控及汽車保險(xiǎn)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，精度高、集成度高、功耗低等特點(diǎn)使之完全可以取代傳統(tǒng)的加速度傳感器。使用內(nèi)部校準(zhǔn)的許多系統(tǒng)一般采用 5V 或 12V 單極性電源供電。輸出電壓擺幅也包括負(fù)電源電壓，并且可達(dá)正供電軌的 1V 范圍內(nèi)。A，低功耗模式： 30181。數(shù)字羅盤系統(tǒng)方案框圖部分介紹了系統(tǒng)包含的幾個(gè)主要模塊：傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和核心控制模塊；設(shè)計(jì)指標(biāo)：航向角測(cè)量范圍為 0176。上層板包括核心控制電路和羅盤航向測(cè)量電路。置位 /復(fù)位信號(hào)在微處理器的控制下產(chǎn)生，置位脈沖和復(fù)位脈沖對(duì)傳感器所起的作用基本一樣，唯一的區(qū)別是傳感器的極性改變。引腳 3 接滑動(dòng)變阻器，作用是調(diào)節(jié) LCD 的亮度，引腳 4 接 CLK，引腳 5 接 SID 數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括顯示數(shù)據(jù)和命令。它的優(yōu)越之處就是編程效率高，軟件調(diào)試直觀，開發(fā)周期短；可讀性強(qiáng)，易于系統(tǒng)維護(hù)、升級(jí)；代碼的重復(fù)利用率高，便于跨平臺(tái)的代碼移植和修改，使產(chǎn)品的升級(jí)和繼承更迅速。本文的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，子程序模塊負(fù)責(zé)完成各自的指定功能，并供主程序調(diào)用 [26]。編譯器總是嘗試在寄存器里保持局部變量，將循環(huán)變量說明為局部變量是最好的。通過傾角計(jì)算、坐標(biāo)變換得到的地磁航向角經(jīng)過修正得到地理航向角，航向角以數(shù)字輸出的形式通過串口發(fā)送到 PC 機(jī)，除此之外，采用LCD 液晶顯示屏直接顯示航向角 。 在這里首先要 感謝我的導(dǎo)師 金海紅 老師。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、 朋友給了我無言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意！ 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 30 參考文獻(xiàn) [1] 王永強(qiáng) . 一種基于磁阻傳感器的數(shù)字羅盤的設(shè)計(jì) [J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制 , 2020, 15(12): 1864 1866. [2] 李怡達(dá) . 基于磁阻傳感器與微處理器的二維磁電子羅盤的設(shè)計(jì) [J]. 功能材料與器件學(xué)報(bào) ， 2020, 14(2): 558560. [3] 常青 楊東凱 寇艷紅 . 車輛導(dǎo)航定位方法及應(yīng)用 [M]. 機(jī)械工業(yè)出版社， 2020. [4] 劉大杰 施一民 過靜珺等 .全球定位系統(tǒng) (GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理 [M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社 , 2020. [5] 賈伯年，俞樸 .傳感器技術(shù) [M].東南大學(xué)出版社 , 1996. [6] 何希才 .傳感器及應(yīng)用電路 [M].北京 :電子工業(yè)出版社 , 2020. [7] 陳篤行 . 磁場(chǎng)測(cè)量基礎(chǔ) [M]. 北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社 , 1985. [8] Honeywell Magic Sensor Products user’s manual[EB/OL],Honeywell Application Note, 2020. [9] 兩軸磁傳感器 HMC1052 手冊(cè) [10] 翟飛飛 趙振 陳潤(rùn)深 戴勝華 . 雙軸加速度傳感器 ADXL202 及其應(yīng)用設(shè)計(jì) .北京交通大學(xué) , 2020 [11] 孫涵芳 ， 徐愛卿 . 單片機(jī)原理及應(yīng)用 。我的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜煩瑣，但是 金 老師仍然細(xì)心地糾正 論文 中的錯(cuò)誤。其次， 各種 元器件的選擇 和 總體設(shè)計(jì)方案的選擇 也曾使我的設(shè)計(jì)停滯不前。 主程序中應(yīng)包括安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 27 系統(tǒng)各端口、時(shí)鐘、定時(shí)器、 AD、串口、外部中斷的初始化；關(guān)閉看門狗， LCD初始化顯示，啟動(dòng)置復(fù)位電路；調(diào)用 AD子程序；調(diào)用加速度計(jì)子程序；計(jì)算航向角 并實(shí)施 誤 差 補(bǔ)償，輸出數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化，航向角顯示，串口發(fā)送等。 為提高編譯效率，本文對(duì)程序采取如下方式進(jìn)行編寫： (1).盡量使用 char數(shù)據(jù)類型，由于 C8051F005是 8位機(jī)，對(duì)具有 char類型的對(duì)象的操作比 int或者 long類型的操作方便的多。 uVision源代碼級(jí)調(diào)試器是一個(gè)理想的，快速，可靠的程序調(diào)試器。 電路如圖 49 所示： 圖 49 串口模塊電路圖 （ 3） USB接口通信電路 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 25 由于 C8051F320 微控制器內(nèi)部集成了一個(gè) USB 接收器，簡(jiǎn)單易用，因此，用它進(jìn)行 USB 接口的硬件設(shè)計(jì)也顯得比較簡(jiǎn)單 ， 不需要任何外部器件就可直接與 USB 接口相連 ，電路如圖 410 所示： 圖 410 USB模塊電路圖 （ 4） JTAG調(diào)試口電路 JTAG 可以對(duì)同一塊電路板上多塊芯片進(jìn)行測(cè)試。他直接提供給工作電壓是 5V 的器件使用。下層板包括電源及基準(zhǔn)電壓電路和調(diào)試板接口電路。在傾角在 60176。這就決定的 LCD 接收數(shù)據(jù)的方式有兩種方式。 液晶顯示模塊 ST7920 是 臺(tái)灣矽創(chuàng)電子公司生產(chǎn)的中文圖形控制芯片，它是一種內(nèi)置1286412 漢字圖形點(diǎn)陣的液晶顯示控制模塊，用于顯示漢字及圖形。壓擺率超過 1V/μs。OP413 額定電源電壓為 5V（單電源）和 177。傳感器之后級(jí)連相位檢波器，主要是用來修正信號(hào)，并對(duì)信號(hào)的方向做出判斷。因此在盡量保持磁阻傳感器的同一信號(hào)的差分輸出線 平行同時(shí)，避免在這兩根線之間的區(qū)域 (ZONE)布地線。 內(nèi)部電路如安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 圖 34所 示 ： 圖 34 HMC1052內(nèi)部電路 HMC1051Z實(shí)際上是 HMC1052的單軸版本， HMC1051Z是從 HMC1052派生的單橋電路，為 8pin SIP封裝， 其參數(shù)與 HMC1052相同。而 HMC1051Z 是 HMC1052的單軸版本。C8051F320 與市場(chǎng)上同類帶 USB 接口的微處理器相比較 ， 它內(nèi)部強(qiáng)大的功能模塊大大簡(jiǎn)化了 USB 技術(shù)的開發(fā) ， 還能很好地縮短開發(fā)周期。 (10)性能特點(diǎn) C8051F320 在保持 CISC 結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)不變的情況下 ， 對(duì)指令運(yùn)行實(shí)行流水作業(yè) ， 推出了 CIP51 的 CPU 模式 ， 從而大大提高了指令運(yùn)行速度 ， 使8051 兼容機(jī)系列進(jìn)入了 8 位高速單片機(jī)行列。 1LSB INL):其最大可編程轉(zhuǎn)換速率可達(dá) 200kbps，可多 可有 17 個(gè)外部輸入 ， 可編程為單端輸入或差分輸入 ， 內(nèi)置一個(gè)溫度傳感器 、二個(gè)模擬比較器 、 的內(nèi)部電壓基準(zhǔn) 和 精確的 Vdd 監(jiān)視器和欠壓檢測(cè)器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 32 所示。在傾角在 60186。通過傾角計(jì)算、坐標(biāo)變換得到的地磁