【導(dǎo)讀】安徽建筑工業(yè)學(xué)院。畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文). 課題數(shù)字羅盤的設(shè)計(jì)與誤差補(bǔ)償方法的研究。班級(jí)：10通信班導(dǎo)師：金勇。本文在了解地磁導(dǎo)航的原理、磁羅盤用途的基礎(chǔ)上，針對(duì)國(guó)內(nèi)外數(shù)字羅盤研究。開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀，采用各向異性磁阻傳感器、雙軸加速度計(jì)、結(jié)合單片機(jī)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(bǔ)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(jì)的工作原理及輸出信號(hào)特征，重點(diǎn)介。紹了整個(gè)系統(tǒng)的工作原理及組成，確定了各項(xiàng)系統(tǒng)指標(biāo)和主要器件的選型，完成了。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。關(guān)鍵詞：磁阻傳感器雙軸加速度計(jì)C8051F320總體設(shè)計(jì)

　　

【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(shí)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(jì)指標(biāo)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(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。 ~360176。，在傾角在 60176。 ~+60176。范圍內(nèi)航向角精度為 ? 3176。本章還詳細(xì)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(jì) ADXL202，Cygnal 公司的單片機(jī) C8051F320 以及臺(tái)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(diǎn)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 20 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本課題的數(shù)字羅盤的硬件設(shè)計(jì)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(cè)量電路。羅盤航向測(cè)量電路又包括磁阻傳感器電路、加速度計(jì)電路、置復(fù)位電路、信號(hào)放大電路。下層板包括電源及基準(zhǔn)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(cè)量電路 設(shè)計(jì) 核心控制電路的設(shè)計(jì) 作為整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分，微處理器負(fù)責(zé)對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，通過(guò)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(jì) 羅盤航向電路主要包括：磁阻傳感器電路、加速度計(jì)電路、置復(fù)位電路、信號(hào)放大電路等。具體電路設(shè)計(jì)情況如下： 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (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(jì)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(jì)電路 （ 3）置復(fù)位電路 置復(fù)位電路是用于消除高強(qiáng)度磁場(chǎng)對(duì)磁阻傳感器的影響，使其恢復(fù)到測(cè)量磁場(chǎng)的高靈敏度狀態(tài)。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。電路如圖 44 所示： 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 22 圖 44 置復(fù)位電路 （ 4）信號(hào)放大電路 本課題選用 OP413 芯片，電路如圖 45 所示： 圖 45 信號(hào)放大電路 調(diào)試板 接口電路設(shè) 計(jì) 電源 電路 及基準(zhǔn)電壓電路 設(shè)計(jì) （ 1）電源 電路 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (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(zhǔn)電壓電路 基準(zhǔn)電壓電路用于提供 IC 內(nèi)部電壓基準(zhǔn)的參考電壓。器件本次設(shè)計(jì)所用到的基準(zhǔn)電壓分別是 和 。其中 是為了提供給單片機(jī)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(zhǔn)電壓電路（ ） 圖 47 基準(zhǔn)電壓電路（ ） 調(diào)試板接口 電路設(shè)計(jì) （ 1） LCD 液晶顯示接口 電路 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 24 ST7920 有 5 個(gè)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(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。 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(jī)的 30 腳連接，第 12 腳和單片機(jī)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(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。 TRST、 TCK 和 TMS 信號(hào)并行至各個(gè)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(jiǎn)要介紹了本次課題設(shè)計(jì)時(shí)所用到的硬件設(shè)計(jì)部分，主要介紹了數(shù)字羅盤各硬件模塊電路的設(shè)計(jì)。首先介紹了羅盤航向測(cè)量電路，是通過(guò)對(duì)核心控制電路磁、阻傳感器電路、加速度計(jì)電路、置復(fù)位電路等的設(shè)計(jì)，以達(dá)到測(cè)量以及補(bǔ)償航向角的目的。然后簡(jiǎn)略的介紹了外圍電路的設(shè)計(jì)，外圍電路為測(cè)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(cè)試的 JTAG 端口，并附有各模塊的電路設(shè)計(jì)圖。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 26 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概述 在課題本設(shè)計(jì)中，我們選用高級(jí)語(yǔ)言 C語(yǔ)言進(jìn)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(kāi)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。 開(kāi)發(fā)工具是由 Cygnal公司 /Silicon laboratories提供的 KeiluVision3。 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。它包含一個(gè)高速模擬器，可模擬整個(gè)系統(tǒng)，包括片上外圍器件和外部硬件。 Keil是近年來(lái)非常受仿真機(jī)廠家歡迎的C開(kāi)發(fā)軟件。它提供了包括 C編譯器，宏匯編，連接器，庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真功 能調(diào)試器等在片內(nèi)完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)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(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具可以讓你事半功倍 [25]。 針對(duì)本課題的設(shè)計(jì)要求，我們將整個(gè)軟件部分化分為一系列功能獨(dú)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(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]。子程序模塊可分為：程序初始化 模塊 、 信號(hào)采集與存儲(chǔ) 模塊 、數(shù)據(jù)傳輸與顯示 模塊 。 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。 (2)盡可能使用無(wú)符號(hào)數(shù)據(jù)類型。 C8051F005 指令不支持對(duì)有符號(hào)數(shù)的運(yùn)算，因此當(dāng)程序中涉及到有符號(hào)數(shù)的運(yùn)算的時(shí)候，編譯器就會(huì)調(diào)用相關(guān)的庫(kù)函數(shù)、產(chǎn)生與之相關(guān)的更多的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)這些操作，這將要影響到系統(tǒng)最終的運(yùn)行效率。 (3)合理安排操作順序。 (4)計(jì)算基于二進(jìn)制，在選擇數(shù)組存儲(chǔ)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(shuō)明為局部變量是最好的。 軟 件總體流程 根據(jù)本設(shè)計(jì) 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(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。 它的流程圖如圖 所示 ： 系 統(tǒng) 初 始 化 ， 關(guān) 閉 看 門 狗開(kāi) 始LCD初 始 化 顯 示發(fā) 送 置 復(fù) 位 脈 沖數(shù) 據(jù) 采 集 及 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換測(cè) 量 傾 角計(jì) 算 航 向 角 及 誤 差 補(bǔ) 償串 口 發(fā) 送LCD顯 示 航 向 角延 時(shí) 圖 系統(tǒng)軟件流程圖 本系統(tǒng)采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，這樣使程序的可讀性強(qiáng)，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(jì)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(zhǔn)工作模式下的主要工作流程；本文的軟件程序設(shè)計(jì)采用 C 語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，使用 KeilC集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，來(lái)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 28 結(jié) 論 通過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)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(guò)程，終于達(dá)到了設(shè)計(jì)的基本要求。 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(hào)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 。 系統(tǒng)對(duì)外部傳感器模擬信號(hào) 進(jìn)行 采集，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)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(cè)得的地球磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)確定航向；雙軸加速度計(jì)測(cè)得俯仰角與橫滾角，完成對(duì) X、Y 軸磁場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算補(bǔ)償。通過(guò)傾角計(jì)算、坐標(biāo)變換得到的地磁航向角經(jīng)過(guò)修正得到地理航向角，航向角以數(shù)字輸出的形式通過(guò)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 。 通過(guò)本次設(shè)計(jì)使我對(duì) 羅盤 有了比較全面的了解，但在設(shè)計(jì)工程中我也遇到了很多的困難，首先是對(duì) 數(shù)字羅盤 等方面知識(shí)的匱乏，許多理論知識(shí)在實(shí)際中應(yīng)該怎樣應(yīng)用等待，這些都使我在設(shè)計(jì)中一度陷入困境。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。但在 金 老師的殷勤指導(dǎo)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 29 致 謝 經(jīng)過(guò)半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲 ，通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我對(duì)我國(guó)電子軟件有了新的認(rèn)識(shí)。這也使我認(rèn)識(shí)到了自己知識(shí)的匱乏和能力的有限。從而激勵(lì)我在今后的學(xué)習(xí)和工作中更要努力的學(xué)習(xí)和不斷的充實(shí)自己。 作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)匱乏，有許多考慮不周全的地方，如果沒(méi)有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。 在這里首先要 感謝我的導(dǎo)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(jì)的每個(gè)階段，從查閱資料到設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)，裝配草圖等整個(gè)過(guò)程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。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。除了敬佩 金 老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。 其次要感謝我的同學(xué)對(duì)我無(wú)私的幫助， 我要感謝我們組的全體成員，沒(méi)有大家的團(tuán)結(jié)一致，互相幫助就沒(méi)有今天！在我們這個(gè)小組中我們 5 個(gè)人共同來(lái)完成這個(gè)課題，雖然我們 5 個(gè)人各自完 成的部分不同，但我們是一個(gè)團(tuán)隊(duì)，大家經(jīng)常在一起交流經(jīng)驗(yàn)，討論問(wèn)題 ， 正因?yàn)槿绱宋也拍茼樌耐瓿稍O(shè)計(jì) 。 我要感謝我的母校 ——安徽建筑工業(yè)學(xué)院 ，是母校給我們提供了優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境；另外，我還要感謝那些曾給我授過(guò)課的每一位老師，是你們教會(huì)我專業(yè)知識(shí)。 最后，我再一次表達(dá)我對(duì)領(lǐng)導(dǎo)以及教過(guò)我所有的老師最衷心的感謝，是你們?cè)谖仪斑M(jìn)的道路上給以引導(dǎo)，并無(wú)私的教給我許多專業(yè)知識(shí)以及做人的道理。再次，讓我對(duì)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(wú)法平靜，從開(kāi)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(wú)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. 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