【文章內(nèi)容簡介】 的投影分量 ?? ZYX HHH 。在地平坐標(biāo)系中，磁阻安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 傳感器 的三軸輸出為 ?? ZRYRXR HHH ??? 。 令???????????γγγγc o ss in0s inc o s0001ro o lR，???????????ββββc o s0s in110s in0c o sp itchR ，則可得： ?? ?? TZYXr o llp ic thTZRYRXR HHHRRHHH 11 ????? ? 設(shè) 3軸加速計(jì)測得的重力加速度為 GX， GY， GZ，可得： )/a rc t a n ( ZY GG??? )/a r c t a n ( 22 ZY GGG X ??? )/a r c t a n ( YRXR HH ???? 系統(tǒng)構(gòu)成 本文研究的磁羅盤由 磁阻傳感器、加速度計(jì)組成的信號采集模塊，由放大器、微處理器、置復(fù)位電路等組成的數(shù)據(jù)處理模塊，由 USB 口等外圍電路以及 LCD 液晶顯示屏組成 的數(shù)據(jù)顯示模塊等 組成。磁阻傳感器輸出的三軸磁場強(qiáng)度信號和雙軸加速度計(jì)輸出的重力信號經(jīng)過 放大器 電路和微控制器處理后得到航向和姿態(tài)信息。電源模塊用于為整個系統(tǒng)的模擬供電， 置 復(fù)位電路用于恢復(fù)磁阻傳感器在強(qiáng)磁干擾后的靈敏度。 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。 其核心部分采用一片特殊金屬材料 —— 磁性材料 ， 磁性材料 (如坡莫合金 )具有各向異性，對它進(jìn)行磁化時，其磁化方向?qū)⑷Q于材料的易磁化軸、材料的形狀和磁化磁場的方向。當(dāng)給帶狀坡莫合金材料通電流 I 時，材料的電阻 取決于電流的方向與磁化方向的夾角。如果給材料施加一個 磁場 B，就會使原來的磁化方向轉(zhuǎn)動。如果磁化方向轉(zhuǎn)向垂直于電流的方向，則材料的電阻將減小 ， 如果磁化方向轉(zhuǎn)向平行于電流的方向，則材料的電阻將增大。磁阻效應(yīng)傳感器一般有四個這樣的電阻組成，并將它們接成電橋。在被測磁場 B 作用下，電橋中位于相對位置的兩個電阻阻值增大，另外兩個電阻的阻值減小。在其線性范圍內(nèi)，電橋的輸出電壓與被測磁場成正比 ， 電 阻值隨外界磁場的變化而變化，通過外界磁場的變化來測量物體的變化或狀況。廣泛應(yīng)用于低磁場測量，安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 角度和位置測量 [9]。 磁阻傳感器特 點(diǎn)： （ 1） 靈敏度高 ， 輸出信號幅值大 ， 并與旋轉(zhuǎn)速度的大小無關(guān) ； （ 2） 體積小 ， 結(jié)構(gòu)簡單 ， 金屬盒封裝 ， 耐油污粉塵 ； （ 3） 頻率特性優(yōu)良 ， 能檢測 ”靜止 ”狀態(tài)的轉(zhuǎn)速 ； （ 4） 內(nèi)偏置磁鋼 ； （ 5） 抗電磁干擾能力強(qiáng) ； （ 6） 磁阻傳感器具有高精度、高靈敏度、高分辨率、良好穩(wěn)定性和可靠性、無接觸測量及寬溫度范圍 ； （ 7） 可進(jìn)行動態(tài)和靜態(tài)測量。 加速度計(jì) 加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號轉(zhuǎn)變成便于測量的電信號的測試儀器 [10]。當(dāng)傳感元件以加速度 a 運(yùn)動時，質(zhì)量塊受到一個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。該變形被粘貼在懸臂梁上的擴(kuò)散電阻感受到。根據(jù)硅的壓阻效應(yīng)，擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生與應(yīng)變成正比的變化，將這個電阻作為電橋的一個橋臂，通過測量電橋輸出電壓的變化可以完成對加速度的測量。多數(shù)加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)的原理來工作的。 所謂的壓電效應(yīng)就是 “ 對于不存在對稱中心的異極晶體加在晶體上的外力除了使晶體發(fā)生形變，還將改變晶體的極化狀態(tài)，在晶體內(nèi)部建立電場，這種由于機(jī)械力作用使介質(zhì)發(fā)生極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng) ” 。 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 形這個特性。由于這個變形會產(chǎn)生電壓，只要計(jì)算出產(chǎn)生電壓和所施加的加速度之間的關(guān)系，就可以將加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出。 運(yùn)算放大器 運(yùn)算放大器是一種直流耦合，差模輸入、通常為單端輸出的高增益電壓放大器。一個理想的運(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。最基本的運(yùn)算放大器如圖 23。一個運(yùn)算放大器模組一般包括一個正輸入端 (OP_P)、一個負(fù)輸入端(OP_N)和一個輸出端 (OP_O)。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 圖 23 最基本的 運(yùn)算放大器 本系統(tǒng)中由于 磁阻傳感器的輸出信號幅度很小，無法直接實(shí)現(xiàn)航向角的測量，同時為了充分利用 AD，使轉(zhuǎn)換得到滿量程，需要對輸出信號加以放大。普通運(yùn)算放大器一般都有毫伏級的失調(diào)電壓和每度幾微伏的溫漂，因此不能直接用于放大微弱信號，考慮到放大器的開環(huán)增益、共模抑制比、輸入阻抗、 輸出阻抗、頻帶寬度、溫度漂移等指標(biāo)以及羅盤有 X 軸、 Y 軸、 Z 軸三路電橋電壓需要放大，系統(tǒng)要求選用的放大器應(yīng)該是高精度、低漂移、低噪聲集成的多路運(yùn)算放大器 。 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芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。C8051F系列單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片 [12]，具有與 8051兼容的 CIP51微控制器內(nèi)核，采用流水線結(jié)構(gòu)，單周期指令運(yùn)行速度是 8051 的 12 倍，全指令集運(yùn) 行速度是原來的 倍 ， 是目前世界上速度最快的 8 位單片機(jī)。 因此， C8051F 系列單片機(jī)作為 SOC 芯片的杰出代表能夠滿足絕大部分場合的復(fù)雜功能要求。 C8051F320 是一款性能優(yōu)化的 SOC 高速單片機(jī) ， 也是一個功能強(qiáng)大的 USB 接口器件。 C8051F320 片內(nèi)自帶有 USB 收發(fā)器和控制處理器是它區(qū)別與同一系列產(chǎn)品的一大特點(diǎn)。用 C8051F320 來進(jìn)行 USB 技術(shù)開發(fā)既方便又快捷 。 是集成的混合信號片上系統(tǒng) SOC（ System on chip），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。片內(nèi) JTAG 仿真 電路提供全速的電路內(nèi)仿真，不占用片內(nèi)用戶資源。內(nèi)部 Flash 存儲器可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程，既可作程序存儲器也可作非易失性數(shù)據(jù)存儲。支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、觀察點(diǎn)、運(yùn)行和停止等調(diào)試命令，并支持存儲器和寄存器校驗(yàn)和修改。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 外圍模塊 電源模塊 系統(tǒng)中根據(jù)選定的 芯片 供電要求 需提供多種穩(wěn)壓電源，所以 應(yīng)該 設(shè)計(jì)有 不同伏值 的電源接口 和其他 電壓 調(diào)節(jié)模塊， 電壓調(diào)節(jié)模塊 的 功能是將一個直流電壓轉(zhuǎn)換為另一個直流電壓。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 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。 各種接口 （ 1） USB 接口 USB 是近年發(fā)展起來的一種快速，靈活的總線接口。它最大的特點(diǎn)是易于使用、可熱插拔、接口連接靈活，并且能夠提供外設(shè)電源，在嵌入式系統(tǒng)及智能儀表中得到廣泛的應(yīng)用。而 51 系列單片機(jī)以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)、高性價比被廣泛應(yīng)用于測控儀器等自動化領(lǐng)域。因此用 51 系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn) USB 主機(jī)接口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對 USB 外設(shè)的控制，對提高整個系統(tǒng)的數(shù) 據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備控制等性能都有很大的作用。本文論述的方案基于壓強(qiáng)測試儀的應(yīng)用環(huán)境，在開發(fā)壓強(qiáng)測試儀的過程中根據(jù)實(shí)際的需求，要求能夠存儲大量數(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，這對于室外作業(yè)很不方便。 USB 接口克服了上述缺點(diǎn)，測試儀器可以把采集到的數(shù)據(jù)保存到 u 盤，工作人員可以隨時取下 u 盤， 將數(shù)據(jù)拿到異地進(jìn)行分析 。 （ 2） JTAG 接口 JTAG(Joint Test Action GroUp)聯(lián)合測試行動小組 )是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試 協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測試?，F(xiàn)在多數(shù)的高級器件都支持 JTAG 協(xié)議，如 DSP、 FPGA 器件等。標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG 接口是 4 線： TMS、 TCK、 TDI、 TDO，分別為模式選擇、時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。 JTAG 最初是用來對芯片進(jìn)行測試的，基本原理是在器件內(nèi)部定義一個 TAP 通過專用的 JTAG 測試工具對進(jìn)行內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試。 JTAG 測試允許多個器件通過JTAG 接口串聯(lián)在一起，形成一個 JTAG 鏈，能實(shí)現(xiàn)對各個器件分別測試。現(xiàn)在， JTAG安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 接口還常用于實(shí)現(xiàn) ISP，對 FLASH 等器件進(jìn)行編程 。 JTAG 編程方式是在線編程，傳 統(tǒng)生產(chǎn)流程中先對芯片進(jìn)行預(yù)編程現(xiàn)再裝到板上因此而改變，簡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。 JTAG 接口可對 PSD 芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行編程 。 通常所說的 JTAG 大致分兩類，一類用于測試芯片的電氣特性，檢測芯片是否有問題；一類用于 DebUg；一般支持 JTAG 的 CPU 內(nèi)都包含了這兩個模塊。一個含有JTAG DebUg 接口模塊的 CPU，只要時鐘正常，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。 本章小結(jié) 本章介紹了羅盤的工作原理，羅盤的工作原理中講到了磁阻效應(yīng)是數(shù)字羅盤的最基本的工作原理，地 磁場的水平分量永遠(yuǎn)指向磁北 為 磁羅盤的制作基礎(chǔ) 。 隨后對數(shù)字羅盤的微控制器的外圍電路設(shè)計(jì) 中的各個模塊進(jìn)行了簡單的介紹。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 3 系統(tǒng) 總體設(shè)計(jì) 為了提高航向測量精度，克服現(xiàn)有設(shè)計(jì)中的某些不足， 本課題采用各向異性磁阻傳感器 (AMR)、雙軸加速度計(jì) (MEMS)、結(jié)合 微處理器 芯片制作出一個具有傾斜補(bǔ)償功能的三維數(shù)字羅盤 ，此三維數(shù)字羅 盤 利用磁阻傳感器的磁阻效應(yīng)測量地球磁場強(qiáng)度在 X、 Y、 Z軸的分量，結(jié)合加速度計(jì)測得羅盤的俯仰角和橫滾角并以此對 X、 Y軸的磁場強(qiáng)度作傾斜補(bǔ)償 進(jìn) 而確定航向角。 系統(tǒng)方案與設(shè)計(jì)指標(biāo) 本 系統(tǒng)總體方案 設(shè)計(jì)主要包括由磁阻傳感器、加速度計(jì)組成的信號采集模塊，由放大器、 微處理器 、 置 復(fù)位電路 等 組成的數(shù)據(jù)處理模塊，由 USB 口 、 JTAG 口 等外圍電路及 LCD 液晶顯示屏組成的數(shù)據(jù)顯示模塊 。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖 31 所示： 信 號 采 集信 號 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]球磁場在 X， Y 軸的分量，HMC1051Z 測量地球磁場 Z 軸分量。輸出信號經(jīng)過放大后送入 C8051F320 單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理，利用磁阻傳感器感測得的地球磁場強(qiáng)度來確定航向；雙軸加速度計(jì)測得俯仰角與橫滾角，完成對 X、 Y 軸磁場強(qiáng)度的計(jì)算補(bǔ)償。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 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 不同應(yīng)用的航向角精度不同，如應(yīng)用于各類導(dǎo)航和精確定位系統(tǒng)的數(shù)字羅盤其航向精度為177。 176。，俯仰、翻滾精度為177。 176。；在超低空遙感平臺應(yīng)用的數(shù) 字羅盤航向角精度優(yōu)于 176。，俯仰和翻滾角精度優(yōu)于 176。然后確定本系統(tǒng)的指標(biāo)為：航向角測量范圍為 0176。 ~360176。，在傾角在 60186。~+60176。范圍內(nèi)航向角精度為 ? 3176。 主要器件選型 選擇霍尼韋爾公司的各向異性磁阻傳感器 HMC105 HMC1051Z， ADI 公司的雙軸加速度計(jì) ADXL202， Cygnal 公司的單片機(jī) C8051F320 以及臺灣矽創(chuàng)電子公司的 ST7920 型顯示器 等。下面分別介紹 主要 器件的性能特性及工作原理 。 主控芯片 C8051F320 是由美國 Cygnal 公司推出的 C8051F 系列單片機(jī)中的一款小型單片機(jī) [11]，采用 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)以硬件方式實(shí)現(xiàn) I/O 端口的靈活配置。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。內(nèi)有輸入 /輸出的電路單元通過相應(yīng)的配置寄存器控制的交叉開關(guān)配置到所選擇的端口上。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如