【導讀】安徽建筑工業(yè)學院。畢業(yè)設(shè)計(論文). 課題數(shù)字羅盤的設(shè)計與誤差補償方法的研究。班級：10通信班導師：金勇。本文在了解地磁導航的原理、磁羅盤用途的基礎(chǔ)上，針對國內(nèi)外數(shù)字羅盤研究。開發(fā)的現(xiàn)狀，采用各向異性磁阻傳感器、雙軸加速度計、結(jié)合單片機芯。片，研制了一種低成本、高精度基于磁阻技術(shù)的具有傾斜補償功能三維數(shù)字羅盤。本文分析了磁阻效應(yīng)、磁阻傳感器及加速度計的工作原理及輸出信號特征，重點介。紹了整個系統(tǒng)的工作原理及組成，確定了各項系統(tǒng)指標和主要器件的選型，完成了。利用該方案設(shè)計的三維數(shù)字羅盤測量系統(tǒng)，硬件上具有體積小、重量輕、功耗和成。本低等特點；軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，可修改性強，能根據(jù)需要方便地進行。關(guān)鍵詞：磁阻傳感器雙軸加速度計C8051F320總體設(shè)計

　　

【正文】 /O 口相連接即可操作。使用串口通訊模式，可將 PSB 接固定低電平，可以用該引腳與“ GND”短接的方法實現(xiàn)。 本章小結(jié) 本章介紹了數(shù)字羅盤的系統(tǒng)方案、設(shè)計指標以及系統(tǒng)的主選芯片。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)計指標：航向角測量范圍為 0176。 ~360176。，在傾角在 60176。 ~+60176。范圍內(nèi)航向角精度為 ? 3176。本章還詳細介紹了各種器件的選型，如 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 ADXL202，Cygnal 公司的單片機 C8051F320 以及臺灣矽創(chuàng)電子公司生產(chǎn) 的 ST7920 的液晶顯示器件等。 另外 分別 重點講述了主要 器件的性能特性及工作原理 。 安徽建筑工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 20 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計 本課題的數(shù)字羅盤的硬件設(shè)計主要包括上層板和下層板。上層板包括核心控制電路和羅盤航向測量電路。羅盤航向測量電路又包括磁阻傳感器電路、加速度計電路、置復位電路、信號放大電路。下層板包括電源及基準電壓電路和調(diào)試板接口電路。調(diào)試板接口電路又包括 LCD液晶顯示接口 、串口通信電路、 USB接口通信電路、JTAG調(diào)試口電路 [19][24]。 羅盤航向測量電路 設(shè)計 核心控制電路的設(shè)計 作為整個設(shè)計的核心部分，微處理器負責對傳感器采集的信號進行實時處理，通過姿態(tài)矩陣和誤差校正，可以得到載體的姿態(tài)參數(shù)。電路如圖 41 所示。 圖 41 核心 控制電路 數(shù)字羅盤 電路設(shè)計 羅盤航向電路主要包括：磁阻傳感器電路、加速度計電路、置復位電路、信號放大電路等。具體電路設(shè)計情況如下： 安徽建筑工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 21 （ 1） 磁阻傳感器電路 磁阻傳感器電路是數(shù)據(jù)采集模塊的重要組成部分，電路如圖 42 所示： 圖 32 磁阻傳感器電路 （ 2）加速度計電路 ADXL202 是一種低成本、低功耗、功能完善的雙軸加速度傳感器，采用 14 引腳表面封裝，電路如圖 43 所示： 圖 43 加速度計電路 （ 3）置復位電路 置復位電路是用于消除高強度磁場對磁阻傳感器的影響，使其恢復到測量磁場的高靈敏度狀態(tài)。置位 /復位信號在微處理器的控制下產(chǎn)生，置位脈沖和復位脈沖對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。電路如圖 44 所示： 安徽建筑工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 22 圖 44 置復位電路 （ 4）信號放大電路 本課題選用 OP413 芯片，電路如圖 45 所示： 圖 45 信號放大電路 調(diào)試板 接口電路設(shè) 計 電源 電路 及基準電壓電路 設(shè)計 （ 1）電源 電路 安徽建筑工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 23 選擇羅盤系統(tǒng)中有源器件的工作電壓為 、 5V、 而數(shù)字羅盤使用外部電源供電電壓是 5V。他直接提供給工作電壓是 5V 的器件使用。 電路如圖 43 所示： 圖 43電源模塊電路 （ 2） 基準電壓電路 基準電壓電路用于提供 IC 內(nèi)部電壓基準的參考電壓。器件本次設(shè)計所用到的基準電壓分別是 和 。其中 是為了提供給單片機以及 JTAG 接口電路所使用的。而 是為了給 AD 模塊 提供的。 電路如圖 4 47 所示： 圖 46 基準電壓電路（ ） 圖 47 基準電壓電路（ ） 調(diào)試板接口 電路設(shè)計 （ 1） LCD 液晶顯示接口 電路 安徽建筑工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 24 ST7920 有 5 個引腳，引腳 1 接地，引腳 2 接電源，引腳 1 和 2 為 LCD 提供電壓。引腳 3 接滑動變阻器，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。 電路如圖 48 所示： 圖 48 LCD顯示模塊電路圖 （ 2） 串口通信電路 MAX3232 的第 11 腳和單片機的 30 腳連接，第 12 腳和單片機的 29 腳連接 。 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)學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 25 由于 C8051F320 微控制器內(nèi)部集成了一個 USB 接收器，簡單易用，因此，用它進行 USB 接口的硬件設(shè)計也顯得比較簡單 ， 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 可以對同一塊電路板上多塊芯片進行測試。 TRST、 TCK 和 TMS 信號并行至各個芯片，而一塊芯片的 TDO 接至下一芯片的 TDI。 電路如圖 411 所示： 圖 411 JTAG接口電路 圖 本章小結(jié) 本章簡要介紹了本次課題設(shè)計時所用到的硬件設(shè)計部分，主要介紹了數(shù)字羅盤各硬件模塊電路的設(shè)計。首先介紹了羅盤航向測量電路，是通過對核心控制電路磁、阻傳感器電路、加速度計電路、置復位電路等的設(shè)計，以達到測量以及補償航向角的目的。然后簡略的介紹了外圍電路的設(shè)計，外圍電路為測量電路等模塊的有源設(shè)備提供了工作電壓，保證了各模塊之間的通信，并且提供了可供測試的 JTAG 端口，并附有各模塊的電路設(shè)計圖。 安徽建筑工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 26 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計概述 在課題本設(shè)計中，我們選用高級語言 C語言進行系統(tǒng)軟件的編程 。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，易于系統(tǒng)維護、升級；代碼的重復利用率高，便于跨平臺的代碼移植和修改，使產(chǎn)品的升級和繼承更迅速。 開發(fā)工具是由 Cygnal公司 /Silicon laboratories提供的 KeiluVision3。 uVision源代碼級調(diào)試器是一個理想的，快速，可靠的程序調(diào)試器。它包含一個高速模擬器，可模擬整個系統(tǒng)，包括片上外圍器件和外部硬件。 Keil是近年來非常受仿真機廠家歡迎的C開發(fā)軟件。它提供了包括 C編譯器，宏匯編，連接器，庫管理和一個功能強大的仿真功 能調(diào)試器等在片內(nèi)完整開發(fā)方案，通過一個集成環(huán)境（ uVision）將這些部分組合在一起。這種軟件有方便易用的集成環(huán)境，強大的軟件仿真調(diào)試工具可以讓你事半功倍 [25]。 針對本課題的設(shè)計要求，我們將整個軟件部分化分為一系列功能獨立的模塊并合作完成系統(tǒng)的需求。本文的軟件采用模塊化設(shè)計，子程序模塊負責完成各自的指定功能，并供主程序調(diào)用 [26]。子程序模塊可分為：程序初始化 模塊 、 信號采集與存儲 模塊 、數(shù)據(jù)傳輸與顯示 模塊 。 為提高編譯效率，本文對程序采取如下方式進行編寫： (1).盡量使用 char數(shù)據(jù)類型，由于 C8051F005是 8位機，對具有 char類型的對象的操作比 int或者 long類型的操作方便的多。 (2)盡可能使用無符號數(shù)據(jù)類型。 C8051F005 指令不支持對有符號數(shù)的運算，因此當程序中涉及到有符號數(shù)的運算的時候，編譯器就會調(diào)用相關(guān)的庫函數(shù)、產(chǎn)生與之相關(guān)的更多的代碼來實現(xiàn)這些操作，這將要影響到系統(tǒng)最終的運行效率。 (3)合理安排操作順序。 (4)計算基于二進制，在選擇數(shù)組存儲和數(shù)組大小可以節(jié)省操作。 (5)盡可能使用局部函數(shù)變量。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。 軟 件總體流程 根據(jù)本設(shè)計 的要求 及它的原理硬件圖，編了相應(yīng)的軟件程序。 主程序中應(yīng)包括安徽建筑工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 27 系統(tǒng)各端口、時鐘、定時器、 AD、串口、外部中斷的初始化；關(guān)閉看門狗， LCD初始化顯示，啟動置復位電路；調(diào)用 AD子程序；調(diào)用加速度計子程序；計算航向角 并實施 誤 差 補償，輸出數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化，航向角顯示，串口發(fā)送等。 它的流程圖如圖 所示 ： 系 統(tǒng) 初 始 化 ， 關(guān) 閉 看 門 狗開 始LCD初 始 化 顯 示發(fā) 送 置 復 位 脈 沖數(shù) 據(jù) 采 集 及 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換測 量 傾 角計 算 航 向 角 及 誤 差 補 償串 口 發(fā) 送LCD顯 示 航 向 角延 時 圖 系統(tǒng)軟件流程圖 本系統(tǒng)采用模塊化的程序設(shè)計方法，這樣使程序的可讀性強，易于修改。 本章小結(jié) 本章首先介紹了數(shù)字羅盤的軟件程序設(shè)計思想，該部分主要集中介紹數(shù)字羅盤在正常工作模式下 的工作流程和在校準工作模式下的主要工作流程；本文的軟件程序設(shè)計采用 C 語言作為編程語言，使用 KeilC集成開發(fā)環(huán)境，來完成航向姿態(tài)信息解算及數(shù)據(jù)通信等主要工作。 安徽建筑工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 28 結(jié) 論 通過此次畢業(yè)設(shè)計，我學到了很多， 查找資料，硬件原理圖的繪制以及軟件的調(diào)試等過程，終于達到了設(shè)計的基本要求。 本 系統(tǒng)總體方案 設(shè)計主要包括由磁阻傳感器、加速度計組成的信號采集模塊，由放大器、 微處理器 、 置 復位電路 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 。 系統(tǒng)對外部傳感器模擬信號 進行 采集，輸出信號經(jīng)過放大 后送入 C8051F320 單片機進行模數(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度來確定航向；雙軸加速度計測得俯仰角與橫滾角，完成對 X、Y 軸磁場強度的計算補償。通過傾角計算、坐標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，除此之外，采用LCD 液晶顯示屏直接顯示航向角 。 通過本次設(shè)計使我對 羅盤 有了比較全面的了解，但在設(shè)計工程中我也遇到了很多的困難，首先是對 數(shù)字羅盤 等方面知識的匱乏，許多理論知識在實際中應(yīng)該怎樣應(yīng)用等待，這些都使我在設(shè)計中一度陷入困境。其次， 各種 元器件的選擇 和 總體設(shè)計方案的選擇 也曾使我的設(shè)計停滯不前。但在 金 老師的殷勤指導和孜孜不倦的講解下，我不但明白了原理，還掌握了方法和技巧。 安徽建筑工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 29 致 謝 經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲 ，通過本次畢業(yè)設(shè)計，讓我對我國電子軟件有了新的認識。這也使我認識到了自己知識的匱乏和能力的有限。從而激勵我在今后的學習和工作中更要努力的學習和不斷的充實自己。 作為一個本科生的畢業(yè)設(shè)計，由于經(jīng)驗匱乏，有許多考慮不周全的地方，如果沒有導師的督促指導，以及一起工作的同學們的支持，想要完成這個設(shè)計是難以想象的。 在這里首先要 感謝我的導師 金海紅 老師。 金 老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計的每個階段，從查閱資料到設(shè)計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設(shè)計，裝配草圖等整個過程中都給予了我悉心的指導。我的設(shè)計較為復雜煩瑣，但是 金 老師仍然細心地糾正 論文 中的錯誤。除了敬佩 金 老師的專業(yè)水平外，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。 其次要感謝我的同學對我無私的幫助， 我要感謝我們組的全體成員，沒有大家的團結(jié)一致，互相幫助就沒有今天！在我們這個小組中我們 5 個人共同來完成這個課題，雖然我們 5 個人各自完 成的部分不同，但我們是一個團隊，大家經(jīng)常在一起交流經(jīng)驗，討論問題 ， 正因為如此我才能順利的完成設(shè)計 。 我要感謝我的母校 ——安徽建筑工業(yè)學院 ，是母校給我們提供了優(yōu)良的學習環(huán)境；另外，我還要感謝那些曾給我授過課的每一位老師，是你們教會我專業(yè)知識。 最后，我再一次表達我對領(lǐng)導以及教過我所有的老師最衷心的感謝，是你們在我前進的道路上給以引導，并無私的教給我許多專業(yè)知識以及做人的道理。再次，讓我對所有的老師致以最崇高的敬意。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、 朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！ 安徽建筑工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 30 參考文獻 [1] 王永強 . 一種基于磁阻傳感器的數(shù)字羅盤的設(shè)計 [J]. 計算機測量與控制 , 2020, 15(12): 1864 1866. 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