【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 阻傳感器 、 磁場(chǎng)測(cè)量專(zhuān)用轉(zhuǎn)換芯片、單片控制器 、 輔助擴(kuò)展電路、人機(jī)界面以及系統(tǒng)電源幾個(gè)部分 組成， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如 第 2 頁(yè) 共 29 頁(yè) 所示。 圖 系統(tǒng)框圖 整個(gè)系統(tǒng)中前端的磁阻傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量地磁場(chǎng)的大小并將磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)化為微弱的電流的變化，專(zhuān)用的磁場(chǎng)測(cè)量芯片負(fù)責(zé)把磁阻傳感器變化的電流（模擬量）轉(zhuǎn)換成微控制器可以識(shí)別的數(shù)字量然后通過(guò)芯片內(nèi)部的 SPI 總線上傳給微控制器。微控制器將表征當(dāng)前磁場(chǎng)大小的數(shù)字量按照方位進(jìn)行歸一化等處理后通過(guò)直觀的 LCD 進(jìn)行方位顯示 ，同時(shí)可以通過(guò)鍵盤(pán)控制微控制器進(jìn)行相應(yīng)的操作，如將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)串口的形式發(fā)送到上位機(jī)。 整個(gè)系統(tǒng)中還包含了實(shí)時(shí)時(shí)鐘等一些輔助電路，使整個(gè)系統(tǒng)功能得到進(jìn)一步的擴(kuò)展。 3 磁場(chǎng)信號(hào)采集和處理 圖 前端信號(hào)采集 該部分主要完成對(duì)地磁場(chǎng)的測(cè)量、 A/D 轉(zhuǎn)換已經(jīng)數(shù)據(jù)的封包。整個(gè)前端的信號(hào)處理流程如圖 所示。 第 3 頁(yè) 共 29 頁(yè) 磁阻傳感器 整個(gè)磁阻傳感器是系統(tǒng)中最前端的信號(hào)測(cè)量器件，傳統(tǒng)的磁場(chǎng)測(cè)量都是采用了電感線圈的形式，在本次設(shè)計(jì)任務(wù)中，由于需要測(cè)量的是非 常微弱的地磁場(chǎng)，地球表面赤道上的磁場(chǎng)強(qiáng)度在 ～ 高斯之間，兩極處的強(qiáng)度也略大，地磁北極約 高斯，南極約 高斯。 傳統(tǒng)的普通電感線圈的形式在如此微弱的磁場(chǎng)環(huán)境下感應(yīng)產(chǎn)生的電流是非常微弱的，不便于 A/D 采樣，增加了測(cè)量的難度?；谄胀姼芯€圈測(cè)量的不足，本次設(shè)計(jì)采用了磁阻傳感器來(lái)測(cè)量地磁場(chǎng)。磁阻傳感器是 根據(jù)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的原理，當(dāng)在鐵磁合金薄帶的長(zhǎng)度方向施加一個(gè)電流時(shí)，如果在垂直于電流的方向再施加磁場(chǎng) ,鐵磁性材料中就有磁阻的非均質(zhì)現(xiàn)象出現(xiàn)，從而引起合金帶自身的阻值變化。 如 圖 所示。 由圖 中我們可以看出當(dāng)磁場(chǎng)變化時(shí)鐵磁合金的電阻會(huì)跟著變化，如果此時(shí)的電流不變，那么鐵磁合金兩端的電壓將發(fā)生變化，這樣使用 ADC 就可以很方便的測(cè)量出當(dāng)前對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)大小。本次設(shè)計(jì)使用了PNI 公司磁場(chǎng)測(cè)量磁阻傳感器 SENR65，如 圖 所示。 該傳感器體積非常小，測(cè)量精度高，最小分辨率可達(dá) 高斯，對(duì)測(cè)量地磁場(chǎng)足夠了。 磁場(chǎng)測(cè)量 ASIC 通過(guò)磁阻效應(yīng)可以把磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)變化的電流，通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換就可以得到對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。進(jìn)行 ADC 這部分主要有專(zhuān)用的磁場(chǎng)測(cè)量芯片來(lái)完成。本次設(shè)計(jì)中使用了著名 PNI 公司的 PNI11096 磁場(chǎng)測(cè)量 ASIC，該芯片能夠同時(shí)對(duì) 3 軸磁場(chǎng)（既 X,Y,Z 軸）進(jìn)行測(cè)量。這樣可以使用 Z 軸來(lái)進(jìn)行傾角校正，極大的提高了測(cè)量精度。 在整個(gè) PNI11096 信號(hào)除了電路中包含了 3 個(gè)主要的部分： ⑴ 前端信號(hào)處理 ： 由于地磁場(chǎng)非常的微弱，使用 SENR65 傳感器轉(zhuǎn)換后其信號(hào)也是非常的微弱。那么需要在信號(hào)采集前端加入信號(hào)處理電路，這樣使得 A/D 能夠準(zhǔn)確測(cè)量當(dāng)前磁場(chǎng)大小，如 所示 。 圖 SENR65 磁阻傳感器 圖 磁阻傳感器原理 第 4 頁(yè) 共 29 頁(yè) 圖 磁阻傳感器的驅(qū)動(dòng) ⑵ A/D 轉(zhuǎn)換電路： 這部分電路主要完成對(duì) SENR65 磁阻傳感器輸出的模擬信 號(hào)量進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 ⑶ 數(shù)據(jù)接口電路： 這部分組要完成對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式封裝，并在上位 MCU 的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 整個(gè) PNI11096 和傳感器的連接 電路如 圖 所示。 圖 PNI11096 芯片內(nèi)部原理 該芯片內(nèi)部集成了 3 軸傳感器驅(qū)動(dòng)電路，可以測(cè)量 X， Y， Z 三軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度， Z 軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以用來(lái)校正水平面，使得 X， Y 軸的測(cè)量更為的精確。 整個(gè)指南針模塊的電路如圖所示。 第 5 頁(yè) 共 29 頁(yè) 圖 指南針模塊總電路圖 4 系統(tǒng)硬件 系統(tǒng)控制器 控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 本次設(shè) 計(jì)中采用了高速 51 內(nèi)核 MCU，具體型號(hào)為 DS89C450，高速 8051架構(gòu)，每個(gè)機(jī)器周期一個(gè)時(shí)鐘，最高頻率 33MHz，單周期指令 30ns，雙數(shù)據(jù)指針，支持四種頁(yè)面存儲(chǔ)器訪問(wèn)模式。片內(nèi) 64KB 閃存，在應(yīng)用編程，可通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程， MOVX 可訪問(wèn)的 1KB SRAM。與 8051 系列端口兼容，四路雙向， 8 位 I/O 端口，三個(gè) 16 位定時(shí)器， 256 字節(jié)暫存 RAM。支持電源管理模式，可編程的時(shí)鐘分頻器，自動(dòng)的硬件和軟件退出低功耗。外設(shè)特性：兩路全雙工串口、可編程看門(mén)狗定時(shí)器、 13 個(gè)中斷源、五級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)、電源失效復(fù)位 、電源失效早期預(yù)警中斷和可降低 EMI。 控制器存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的 51 系列芯片內(nèi)部沒(méi)有或僅有非常小的程序存儲(chǔ)器，這就需要通過(guò)外部總線進(jìn)行存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，這樣使得系統(tǒng)電路復(fù)雜且使系統(tǒng)的性能下降。DS89C450 內(nèi)部含有很大的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， 其 片內(nèi) 除了 256 字節(jié) RAM 區(qū)，還提供片內(nèi) 1KB 的 SRAM 和 64KB 的程序存儲(chǔ)器。這就有足夠大的存儲(chǔ)區(qū)域來(lái)存放代碼和數(shù)據(jù)而不需要另外的擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)電路。 第 6 頁(yè) 共 29 頁(yè) 圖 系統(tǒng)存儲(chǔ)分配 控制器具體電路 在整個(gè)系統(tǒng)中控制部分主要完成最核心的數(shù)據(jù) 處理和人機(jī)界面控制任務(wù)?？刂撇糠蛛娐啡?圖 所示。 圖 系統(tǒng)控制電路 整個(gè)微控制系統(tǒng)中采用了無(wú)源晶振的形式發(fā)生 MCU 所需要的時(shí)鐘信號(hào)。具體電路如所示。 時(shí)鐘電路中的兩個(gè)電容用在補(bǔ)償，使得晶振更容易起震，頻率更加穩(wěn)定。 第 7 頁(yè) 共 29 頁(yè) 圖 系統(tǒng)時(shí)鐘電路 系統(tǒng)擴(kuò)展電路 通信電路 在本次設(shè)計(jì)任務(wù)中采用了串口作為系統(tǒng)與外界的通信接口，通信部分電路 圖 所示： 圖 串口通信電路 由于單片機(jī)的 TTL 電平和 RS232 協(xié)議的電平不同，需要 MAX232 進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換， 在本次設(shè)計(jì)中還充分利用了串口的 DTS 信號(hào)作為單片機(jī)串口編程功能使能信號(hào)。由于 DS89C450 提供在系統(tǒng)編程，可以很方便的通過(guò)串口對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的 FLASH 進(jìn)行刷新。由于 DS89C450 進(jìn)入在系統(tǒng)編程需要幾個(gè)條件： ⑴ 復(fù)位引腳電平為高； ⑵ EA 引腳為低電平； ⑶ PSEN 引腳為低電平。 整個(gè)通過(guò)串口 DTS 控制在系統(tǒng)編程電路如 圖 所示。 第 8 頁(yè) 共 29 頁(yè) 圖 串口邏輯電路 指南針模塊 接口電路 本次設(shè)計(jì)中采用了 FAD_DCM_SPI 指南針模塊。該模塊采用的正是PNI11096 和 SENR65 傳感器組 合的設(shè)計(jì)方案。為了模塊化，所以該模塊把PNI11096 芯片的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后封裝成特定的數(shù)據(jù)報(bào)文格式通過(guò) SPI 總線形式對(duì)外提供， 如圖 所示。 圖 指南針模塊接口 經(jīng)過(guò)模塊封裝的數(shù)據(jù)格式如下： 9 8 7 6 5 4 3 2 1 X X X X X X X X X 角度數(shù)據(jù)范圍：十六進(jìn)制（ 0X00~0X167），轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制為（ 0~359）。 SPI(Serial Peripheral Interface串行外設(shè)接口 )總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使 MCU 與各種外圍設(shè)備以串 行方式進(jìn)行通信以交換信息。該接口一般使用 4 條線：串行時(shí)鐘線（ SCK）、主機(jī)輸入 /從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線 MISO、主機(jī) 第 9 頁(yè) 共 29 頁(yè) 輸出 /從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線 MOST 和低電平有效的從機(jī)選擇線 SS(有的 SPI 接口芯片帶有中斷信號(hào)線 INT 或 INT、有的 SPI 接口芯片沒(méi)有主機(jī)輸出 /從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI)。由于 SPI 系統(tǒng)總線一共只需 3～ 4 位