【正文】 度計 (MEMS)、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(biāo)和主要器件的選型，完成了三維數(shù)字羅盤系統(tǒng) 的總體設(shè)計，論述了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計及軟件的 總體設(shè)計思想。 關(guān)鍵詞 ： 磁阻傳感器 雙軸加速度計 C8051F320 總體設(shè)計 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) III Abstract Based on understanding of the principle of magic navigation and the use of magic pass, Knowing the digital pass’ s research and development of domestic and foreign, Using anisotropic magoresistive sensor (AMR), dualaxis accelerometer (MEMS), bined with single chip, Based on magoresistive technology developed a low cost with high accuracy’ s threedimensional digital pass. The paper analyzes the magoresistance, magoresistive sensor and the accelerometer output signal characteristics of the working principle, Introduce the focus of the whole system works and position, identified the main ponents of the system indicators and the selection, plete the threedimensional digital pass system design are discussed hardware circuit design and software design ideas. This digital pass measurement system, the hardware is small, light weight, power consumption and low cost。地磁導(dǎo)航可以作為組合導(dǎo)航的輔助導(dǎo)航方式，隨著多傳感器融合技術(shù)的不斷發(fā)展，單一的導(dǎo)航系統(tǒng)都有著各自的獨特性能與局限性，將地磁導(dǎo)航與 GPS導(dǎo)航等導(dǎo)航方式聯(lián)用，彌補其不能定向的缺點及其它外界因素所帶來的精度誤差，就可實 現(xiàn)利用多種信息源互相補充和校正，構(gòu)成一種有多余度和導(dǎo)航準確度更高的多信息源組合導(dǎo)航系統(tǒng)。在微控制器廣泛應(yīng)用的今天，利用磁阻器件和單片機可以制作集成化和智能化的數(shù)字羅盤，本 課題 正是在此基礎(chǔ)上設(shè)計并制作具有傾角補償功能的三維數(shù)字羅盤 [3]。 雖然磁通門傳感器能夠提供低成本的磁場探測方法，但它們體積偏大、易碎、響應(yīng)時間慢。在國外 數(shù)字式磁羅盤已經(jīng)發(fā)展成為一種重量輕、體積小、穩(wěn)定性、可靠性的姿態(tài)傳感器，并且被廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、車輛導(dǎo)航等領(lǐng)域 [4]。由于受 MEMS 技術(shù)和計算機技術(shù)發(fā)展的制約，我國在數(shù)字羅盤研制領(lǐng)域的進展相對緩慢大多航向精度不高，抗干擾能力和可靠性相對國外產(chǎn)品較差。 研究 內(nèi)容 本課題需要設(shè)計一種 采用各向異性磁阻傳感器 (AMR)、雙軸加速度計 (MEMS)、結(jié)合單片機芯片， 研制一種低成本、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 ，并根據(jù) 系統(tǒng)精度誤差來源 的 分析提出相應(yīng)的誤差補償方案。 本子課題通過了解 地磁導(dǎo)航的原理 ， 分析磁阻 效應(yīng)、磁阻傳感器的工作原理及其輸出信號特征；分析加速度計的工作原理及輸出信號特征，進而分析整個系統(tǒng)的工作原理及組成 ，確定各項系統(tǒng)指標(biāo)，完成 三維數(shù)字羅盤系統(tǒng) 的總體設(shè)計 。 系統(tǒng)主要功能： 測量地球磁場強度在 X、 Y、 Z 軸的分量 ； 測得羅盤的俯仰角和橫滾角 ； 對 X、 Y 軸的磁場強度作傾斜補償，從而確定航向角 。第一章： 引言， 主要介紹課題的背景及意義，課題的主要研究 內(nèi)容 和內(nèi)容結(jié)構(gòu)，并對數(shù)字羅盤在國內(nèi)國外的研究發(fā)展?fàn)顩r進行了論述。 第 三 章：介紹系統(tǒng)總體設(shè)計方案 ，介紹測量航向角的基本原理和基本計算方法，并畫出系統(tǒng)總體框圖及設(shè)計指標(biāo)。 第 五 章：介紹 系統(tǒng) 軟件設(shè)計 ，簡要說明了系統(tǒng)軟件設(shè)計的總體流程及方法。 三維數(shù)字羅盤 正是 利用磁阻傳感器的磁阻效應(yīng)測量地球磁場強度在 X、Y、 Z軸的分量，結(jié)合加速度 計測得羅盤的俯仰角和橫滾角并以此對 X、 Y軸的磁場強度作傾斜補償，從而確定航向角。 磁阻效應(yīng)及磁阻傳感器 磁阻效應(yīng) [5]指某些 金屬 或 半導(dǎo)體 的 電阻 值隨外加 磁場 變化而變化的現(xiàn)象，是由于載流子 在磁場中受到 洛倫茲力 而產(chǎn)生的。這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致載流子的漂移路徑增加，或者說，沿外加電場方向運動的載流子數(shù)減少，從而使電阻增加，種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。 圖 21 磁阻效應(yīng)原理圖 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 4 磁阻傳感器是利用薄膜工藝和微細加工技術(shù)制作成的 ，具體來講是磁阻傳感器它是采用半導(dǎo)體加工工藝，將各向異性鐵磁材料 (玻莫合金、鎳鐵合金 )熔制在硅片上，形成條形薄膜 [6]。 角度測量與方向計算 地球的磁場強度為 ～ (隨地理位置變換而變化，在確定的位置，地磁場強度恒定 )。磁南北極與地理南北極并不重合，而是有一個 。磁偏角隨地理位置變化而變化，只要知道具體位置的經(jīng)緯度，就可以計算出磁偏角，從而通過修正獲得的正確方向角 (文中所提及的方向角都是相對于磁北極而言的 )。 航向角 (? )：載體縱軸在水平面上的投影與地理子午線之間的夾角。 橫滾角 (? )：載體縱向?qū)ΨQ平面與縱向鉛垂平面之間的夾角。分 別測量地磁場磁感應(yīng)強度 H在載體坐標(biāo)系 3個坐標(biāo)上的投影分量 ?? ZYX 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。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)磁阻傳感器在強磁干擾后的靈敏度。 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。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。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。 磁阻傳感器特 點： （ 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 ； （ 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） 可進行動態(tài)和靜態(tài)測量。當(dāng)傳感元件以加速度 a 運動時，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。根據(jù)硅的壓阻效應(yīng)，擴散電阻的阻值發(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。 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) ” 。由于這個變形會產(chǎn)生電壓，只要計算出產(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。一個理想的運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。一個運算放大器模組一般包括一個正輸入端 (OP_P)、一個負輸入端(OP_N)和一個輸出端 (OP_O)。普通運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算放大器 。C8051F系列單片機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)，單周期指令運行速度是 8051 的 12 倍，全指令集運 行速度是原來的 倍 ， 是目前世界上速度最快的 8 位單片機。 C8051F320 是一款性能優(yōu)化的 SOC 高速單片機 ， 也是一個功能強大的 USB 接口器件。用 C8051F320 來進行 USB 技術(shù)開發(fā)既方便又快捷 。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。支持斷點、單步、觀察點、運行和停止等調(diào)試命令，并支持存儲器和寄存器校驗和修改。首先， 根據(jù) 所選 的 單片機 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 IO 口 ， 這樣在放大器的電阻分壓電路處要接入一個 合適 的基準電壓，從而保證輸入單片機的模擬電壓在規(guī)定范圍內(nèi)，因此電路中還設(shè)計有 相應(yīng)的 基準電壓源。它最大的特點是易于使用、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。因此用 51 系列單片機實現(xiàn) USB 主機接口，進而實現(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。 USB 接口克服了上述缺點，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)拿到異地進行分析 ?，F(xiàn)在多數(shù)的高級器件都支持 JTAG 協(xié)議，如 DSP、 FPGA 器件等。 JTAG 最初是用來對芯片進行測試的，基本原理是在器件內(nèi)部定義一個 TAP 通過專用的 JTAG 測試工具對進行內(nèi)部節(jié)點進行測試?，F(xiàn)在， JTAG安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 接口還常用于實現(xiàn) ISP，對 FLASH 等器件進行編程 。 JTAG 接口可對 PSD 芯片內(nèi)部的所有部件進行編程 。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。 隨后對數(shù)字羅盤的微控制器的外圍電路設(shè)計 中的各個模塊進行了簡單的介紹。 系統(tǒng)方案與設(shè)計指標(biāo) 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(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 。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。 176。 176。俯仰和翻滾角精度優(yōu)于 176。 ~360176。~+60176。 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 ADXL202， Cygnal 公司的單片機 C8051F320 以及臺灣矽創(chuàng)電子公司的 ST7920 型顯示器 等。 主控芯片 C8051F320 是由美國 Cygnal 公司推出的 C8051F 系列單片機中的一款小型單片機 [11]，采用 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)以硬件方式實現(xiàn) I/O 端口的靈活配置。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。 圖 32 C8051F320 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 它是集成的混合信號片上系統(tǒng) SOC(System on chip)[15]， 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 8051 的數(shù)字外設(shè)