用ARM9和MMC212xMG設(shè)計(jì)數(shù)字尋北儀
國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 高軍哲 潘孟春 田武剛 胡佳飛
摘要： 為了保證尋北儀的優(yōu)越性能，其控制處理模塊采用嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般應(yīng)用在掌上儀器、便攜式系統(tǒng)等設(shè)計(jì)中，具有便利靈活、功能強(qiáng)大、嵌入性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算、處理、存儲(chǔ)和控制等功能。嵌入式系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，即嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的尋北儀采用 S3C2440A微處理器和WinCE 4.2操作系統(tǒng)。
Abstract：
Key words :
地磁場(chǎng)是地球系統(tǒng)的基本物理場(chǎng)，人們從古代就開(kāi)始利用地磁信息進(jìn)行導(dǎo)航。地磁場(chǎng)為航空、航天、航海提供了天然的參考系，可應(yīng)用于航天器或艦船的定位、定向以及姿態(tài)控制。利用地球磁場(chǎng)空間分布的磁導(dǎo)航技術(shù)簡(jiǎn)便高效、性能可靠、抗干擾能力強(qiáng)，一直是世界發(fā)達(dá)國(guó)家不可缺少的基本定位手段。
MMC212xMG是美新公司推出的一款集成信號(hào)處理模塊和I2C總線的2軸MEMS地磁傳感器。本文設(shè)計(jì)一種基于嵌入式系統(tǒng)ARM9和地磁傳感器 MMC212xMG的數(shù)字尋北儀。
1 系統(tǒng)方案
為了保證尋北儀的優(yōu)越性能，其控制處理模塊采用嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般應(yīng)用在掌上儀器、便攜式系統(tǒng)等設(shè)計(jì)中，具有便利靈活、功能強(qiáng)大、嵌入性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算、處理、存儲(chǔ)和控制等功能。嵌入式系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，即嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的尋北儀采用 S3C2440A微處理器和WinCE 4.2操作系統(tǒng)。
1.1 MMC212xMG地磁傳感器
MMC212xMG是基于AMR(Anisotropic MagnetoResistive，各向異性磁阻)設(shè)計(jì)的2軸MEMS(Microelectromechanical System，微機(jī)電系統(tǒng))地磁傳感器，集成信號(hào)處理模塊和I2C總線(400 kHz快速模式)，可以方便地與其他控制器通信，而不需要A／D轉(zhuǎn)換和定時(shí)器。該傳感器可以測(cè)量的磁感應(yīng)強(qiáng)度的范圍為-2～+2 Gs(1 Gs="10-4T")，在3.0 V工作電壓和25℃的室溫條件下，其靈敏度為512計(jì)數(shù)／Gs。
1.2 S3C2440A微處理器
Samsung公司的S3C2440A是一款基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC嵌入式微處理器。其主頻為400MHz，采用5級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，具有高速緩存和內(nèi)存管理單元；提供豐富的外同資源，包括130個(gè)通用I／O接口和24路外部中斷源、NAND Flash接口、SDRAM接口、SD卡接口、100M以太網(wǎng)接口、USB接口、觸摸屏接口、CMOS圖像傳感器接口、SPI接口、I2C 接口、I2S接口、PWM功能、內(nèi)嵌的LCD控制器、8通道的10位ADC、電源管理等。
1.3 WinCE 4.2操作系統(tǒng)
WinCE是微軟推出的嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。它延伸了臺(tái)式機(jī)Windows操作系統(tǒng)的外部特征，在內(nèi)部用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn) Win32 API的子集，以簡(jiǎn)潔、高效的完全搶占式多任務(wù)為核心，支持強(qiáng)大的通信和圖形顯示功能；而且它的平臺(tái)定制工具PlatformBuilder和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)工具Embedded Visual C++都是非常強(qiáng)大實(shí)用的開(kāi)發(fā)工具，為嵌人式便攜式儀表的軟件開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)。
1.4 方案設(shè)計(jì)
尋北儀的系統(tǒng)框圖如圖1所示。以S3C2440A為控制核心，通過(guò)I2C總線和地磁傳感器MMC212xMG通信。在WinCE 4.2嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境下，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)分析處理和顯示程序。
2 硬件設(shè)計(jì)
MMC212xMG的工作電源范圍較寬，其中模擬電路工作電源VDA的范圍為2.7～5.25 V，數(shù)字電路工作電源VDD的范圍為1.62～5.25 V。S3C2440A的工作電源為3.3 V，為了保證I2C總線的可靠通信，系統(tǒng)統(tǒng)一采用+3.3 V供電；同時(shí)，將+3.3 V分為模擬電源和數(shù)字電源，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
MMC212xMG的引腳功能如表1所列。引腳1和8為工廠測(cè)試引腳，使用時(shí)可以不連接。引腳2連接10μF電容，引腳4和5之間連接1μF電容，實(shí)現(xiàn)芯片的設(shè)置／復(fù)位功能。引腳3和7分別為芯片的模擬電源和數(shù)字電源。引腳6為芯片的地線引腳。引腳9和10為I2C通信的時(shí)鐘引腳和數(shù)據(jù)引腳，上拉到數(shù)字電源。
MMC212xMG的工作電路如圖2所示，I2C總線引腳9和10連接至S3C2440A。在I2C通信過(guò)程中，S3C2440A為主器件，MMC212xMG為從器件，主器件通過(guò)從器件地址尋址和特定的從器件通信，進(jìn)行讀寫(xiě)操作。
3 軟件設(shè)計(jì)
在嵌入式操作系統(tǒng)WinCE 4.2環(huán)境下，采用EVC開(kāi)發(fā)地磁測(cè)量信息采集、處理和顯示程序，主要包括基于I2C總線的測(cè)量數(shù)據(jù)讀取、地磁測(cè)量信號(hào)的數(shù)據(jù)處理和虛擬儀表界面設(shè)計(jì)。
3.1 基于I2C總線的測(cè)量數(shù)據(jù)讀取
為了便于在I2C總線通信中連接多個(gè)地磁傳感器，MMC212xMG有4種不同的器件地址(工廠定義)，分別為60H、64H、68H和6CH。本系統(tǒng)中所用到的器件地址為60H。MMC212xMG的內(nèi)部寄存器有5個(gè)字節(jié)，第1個(gè)字節(jié)為器件控制命令寄存器，可以對(duì)其設(shè)定命令值來(lái)啟動(dòng)相應(yīng)的動(dòng)作。各命令控制字定義如表2所列。
內(nèi)部寄存器的第2和3個(gè)字節(jié)為X軸磁場(chǎng)測(cè)量值，第4和5個(gè)字節(jié)為Y軸磁場(chǎng)測(cè)量值。啟動(dòng)MMC212xMG進(jìn)行測(cè)量的命令流程如圖3所示。
在啟動(dòng)測(cè)量命令完成后，延時(shí)10 ms，讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。其流程如圖4所示。
3.2 地磁測(cè)量信號(hào)的數(shù)據(jù)處理
為了消除顯示上的抖動(dòng)，可以采用均值濾波，即采集5次地磁測(cè)量信號(hào)，求出方位角后，取平均值送顯示。
為了提高指向的精度，可采取非線性校準(zhǔn)技術(shù)。以45°為間隔，讓地磁傳感器模塊分別指向正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西和西北8個(gè)方向，對(duì)這8個(gè)方向的地磁方位角測(cè)量多次取平均值后，存儲(chǔ)作為校準(zhǔn)表。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，獲得測(cè)量數(shù)據(jù)后，利用校準(zhǔn)值對(duì)其進(jìn)行線性插值，求取方位角。
3.3虛擬儀表界面設(shè)計(jì)
尋北儀的顯示界面模擬機(jī)械式指南針進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到顯示直觀的效果。EVC提供了豐富的界面繪圖API函數(shù)，可以輕易實(shí)現(xiàn)虛擬儀表界面的設(shè)計(jì)。軟件平臺(tái)在運(yùn)行過(guò)程中，采用多線程技術(shù)實(shí)時(shí)讀取地磁傳感器的測(cè)量信息，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后送虛擬儀表界面顯示。
4 系統(tǒng)演示
尋北儀實(shí)物圖如圖5所示。系統(tǒng)由兩部分組成：由S3C2440A構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)模塊和由MMC212xMG構(gòu)成的地磁傳感器模塊。圖5(a)為地磁傳感器模塊指向北的效果圖，圖5(b)為指向任意方位的效果圖。
在實(shí)際使用過(guò)程中，可以將嵌入式系統(tǒng)模塊和地磁傳感器模塊安裝成為一個(gè)整體，構(gòu)成便攜式尋北儀；也可以分開(kāi)安裝，嵌入式系統(tǒng)模塊同時(shí)獲取其他傳感器 (如加速度傳感器、GPS傳感器等)的信息，構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)。
結(jié) 語(yǔ)
本文采用嵌入式微處理器S3C2440A和MEMS地磁傳感器MMC212xMG設(shè)計(jì)了一款數(shù)字尋北儀。該系統(tǒng)與機(jī)械式指南針相比，具有人機(jī)界面友好、不受慣性影響、數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)試，尋北儀工作穩(wěn)定，可以滿足高精度尋北要求。
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