【正文】 的指標(biāo)為：航向角測量范圍為 0176。；在超低空遙感平臺(tái)應(yīng)用的數(shù) 字羅盤航向角精度優(yōu)于 176。俯仰、翻滾精度為177。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。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]球磁場在 X， Y 軸的分量，HMC1051Z 測量地球磁場 Z 軸分量。 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(gè)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(duì) X、 Y軸的磁場強(qiáng)度作傾斜補(bǔ)償 進(jìn) 而確定航向角。 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) 。 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(gè)模塊。 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 測試允許多個(gè)器件通過JTAG 接口串聯(lián)在一起，形成一個(gè) JTAG 鏈，能實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)器件分別測試。標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG 接口是 4 線： TMS、 TCK、 TDI、 TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。 （ 2） JTAG 接口 JTAG(Joint Test Action GroUp)聯(lián)合測試行動(dòng)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。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(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。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(jià)比被廣泛應(yīng)用于測控儀器等自動(dòng)化領(lǐng)域。 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。 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(gè)直流電壓轉(zhuǎn)換為另一個(gè)直流電壓。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)。 是集成的混合信號(hào)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。 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)。 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。 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)。 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(hào)幅度很小，無法直接實(shí)現(xiàn)航向角的測量，同時(shí)為了充分利用 AD，使轉(zhuǎn)換得到滿量程，需要對(duì)輸出信號(hào)加以放大。最基本的運(yùn)算放大器如圖 23。 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。 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。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。該變形被粘貼在懸臂梁上的擴(kuò)散電阻感受到。 加速度計(jì) 加速度傳感器是用來將加速度這一物理信號(hào)轉(zhuǎn)變成便于測量的電信號(hào)的測試儀器 [10]。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]。在被測磁場 B 作用下，電橋中位于相對(duì)位置的兩個(gè)電阻阻值增大，另外兩個(gè)電阻的阻值減小。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。當(dāng)給帶狀坡莫合金材料通電流 I 時(shí)，材料的電阻 取決于電流的方向與磁化方向的夾角。 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。磁阻傳感器輸出的三軸磁場強(qiáng)度信號(hào)和雙軸加速度計(jì)輸出的重力信號(hào)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。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 ??? 。 圖 22 地球磁場三維矢量示意圖 將磁阻傳感器的 3個(gè)敏感軸沿載體的 3個(gè)坐標(biāo)軸安裝。 俯仰角 (? )：載體縱軸和縱向水平軸之間的夾角。圖 22是地球磁場三維矢量示意 圖。地理北 (南 )極和磁北(南 )極問的偏差角稱為磁偏角 [7]。磁力線從南極指向北極，在兩極垂直于地球表面，在赤道平行于地球表面。形薄膜中通以電流，并施加垂直于電流的磁場時(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、形狀和磁化磁場的方向。 磁阻效應(yīng)原理圖 如圖 21所示。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，某 — 速度的載流子所受到的 電場力 與洛倫茲力相等，載流子在兩端聚集產(chǎn)生霍爾電場，比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉(zhuǎn)，比該速度快的載 流子則向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。 數(shù)字 羅盤測量原理 系統(tǒng)首先采集三軸加速度計(jì)和三軸磁阻傳感器的信號(hào)，由于磁阻傳感器的輸出均為 mV級(jí)的電壓信號(hào)，所以必須經(jīng)過信號(hào) 放大器 調(diào)理后，才可以送到微處理器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換 并 進(jìn)行實(shí)時(shí)的姿態(tài)矩陣計(jì)算，同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)誤差校正，最終得到穩(wěn)定的姿態(tài)參 數(shù)。 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。 第 四 章：介紹 系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì) ，簡單介紹本設(shè)計(jì)中上層板和下層板的關(guān)鍵電路的總體設(shè)計(jì)并附電路圖。第二章：數(shù)字羅盤的工作原理，本 章簡述了地磁測量的數(shù)學(xué)原理，并詳細(xì)分析了航向、姿態(tài)計(jì)算理論。 論文結(jié)構(gòu) 本論文共分為五章。 從而實(shí)現(xiàn) 三維數(shù)字羅盤的系統(tǒng)功能。 三維數(shù)字羅盤中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(duì) X、 Y軸的磁場強(qiáng)度作傾斜補(bǔ)償，從而確定安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 航向角 。 由于數(shù)字羅盤 三軸磁阻傳感器 具有 測量平面地磁場，雙軸傾角補(bǔ)償 、 高速高精度 A/D轉(zhuǎn)換 ，并且 內(nèi)置溫度補(bǔ)償， 可 最 大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移 等特點(diǎn)，已經(jīng)越來越廣泛的取代傳統(tǒng)定位。隨著科技和現(xiàn)代測控事業(yè)的發(fā)展，對(duì)測向傳感器的精度提出了更高的要求，國外已研制出了高精度的數(shù)字式磁羅盤。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。 磁羅盤主要分為磁通門和磁阻式 。 磁羅盤 [1][2]作為地磁導(dǎo)航的重要工具，可實(shí)時(shí)提供航向，廣泛應(yīng)用于航空、航海、車載定位等領(lǐng)域。 software design use the modular design method can be modified and strong, can easily be modified as needed. Keywords: Magoresistive sensor Dualaxis accelerometer C8051F320 Overall design 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) III 目 錄 摘 要 .................................................................................................................................. II 1 引 言 ............................................................................................................................ 1 課題背景及意義 ........................................................................................................ 1 研究內(nèi)容 .................................................................................................................... 1 論文結(jié)構(gòu) .................................................................................................................... 2 2 數(shù)字羅盤的工作原理 .................................................................................................... 3 數(shù)字羅盤測量原理 .................................................................................................... 3 磁阻效應(yīng)及磁阻傳感器 ..................................................................................... 3 角度測量與方向計(jì)算 ......................................................................................... 4 系統(tǒng)構(gòu)成 .................................................................................................................... 5 數(shù)字羅盤模塊 ............................................................................................................ 5 磁阻傳感器 ......................................................................................................... 5 加速度計(jì) ............................................................................................................. 6 運(yùn)算放大器 ......................................................................................................... 6 微控制器 ............................................................................................................. 7 外圍模塊 ................................................