数字罗盘的设计与误差补偿方法的研究毕业设计论文(编辑修改稿)

数字罗盘的设计与误差补偿方法的研究毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

的投影分量  ZYX HHH。 在地平坐标系中，磁阻安徽建筑工业学院毕业设计 (论文 ) 5 传感器 的三轴输出为  ZRYRXR HHH 。 令γγγγc o ss in0s inc o s0001ro o lR，ββββc o s0s in110s in0c o sp itchR ，则可得：   TZYXr o llp ic thTZRYRXR HHHRRHHH 11   设 3轴加速计测得的重力加速度为 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  系统构成 本文研究的磁罗盘由 磁阻传感器、加速度计组成的信号采集模块，由放大器、微处理器、置复位电路等组成的数据处理模块，由 USB 口等外围电路以及 LCD 液晶显示屏组成 的数据显示模块等 组成。 磁阻传感器输出的三轴磁场强度信号和双轴加速度计输出的重力信号经过 放大器 电路和微控制器处理后得到航向和姿态信息。 电源模块用于为整个系统的模拟供电， 置 复位电路用于恢复磁阻传感器在强磁干扰后的灵敏度。 数字罗盘模块 磁阻传感器 磁阻传感器是基于磁阻效应工作原理 生产的电子器件。 其核心部分采用一片特殊金属材料 —— 磁性材料 ， 磁性材料 (如坡莫合金 )具有各向异性，对它进行磁化时，其磁化方向将取决于材料的易磁化轴、材料的形状和磁化磁场的方向。 当给带状坡莫合金材料通电流 I 时，材料的电阻 取决于电流的方向与磁化方向的夹角。 如果给材料施加一个 磁场 B，就会使原来的磁化方向转动。 如果磁化方向转向垂直于电流的方向，则材料的电阻将减小 ， 如果磁化方向转向平行于电流的方向，则材料的电阻将增大。 磁阻效应传感器一般有四个这样的电阻组成，并将它们接成电桥。 在被测磁场 B 作用下，电桥中位于相对位置的两个电阻阻值增大，另外两个电阻的阻值减小。 在其线性范围内，电桥的输出电压与被测磁场成正比 ， 电 阻值随外界磁场的变化而变化，通过外界磁场的变化来测量物体的变化或状况。 广泛应用于低磁场测量，安徽建筑工业学院毕业设计 (论文 ) 6 角度和位置测量 [9]。 磁阻传感器特 点： （ 1） 灵敏度高 ， 输出信号幅值大 ， 并与旋转速度的大小无关 ； （ 2） 体积小 ， 结构简单 ， 金属盒封装 ， 耐油污粉尘 ； （ 3） 频率特性优良 ， 能检测 ”静止 ”状态的转速 ； （ 4） 内偏置磁钢 ； （ 5） 抗电磁干扰能力强 ； （ 6） 磁阻传感器具有高精度、高灵敏度、高分辨率、良好稳定性和可靠性、无接触测量及宽温度范围 ； （ 7） 可进行动态和静态测量。 加速度计 加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器 [10]。 当传感元件以加速度 a 运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，发生与 加速度成正比 a 的形变，使悬臂梁随之产生应力和应变。 该变形被粘贴在悬臂梁上的扩散电阻感受到。 根据硅的压阻效应，扩散电阻的阻值发生与应变成正比的变化，将这个电阻作为电桥的一个桥臂，通过测量电桥输出电压的变化可以完成对加速度的测量。 多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。 所谓的压电效应就是 “ 对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应 ”。 加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变 形这个特性。 由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。 运算放大器 运算放大器是一种直流耦合，差模输入、通常为单端输出的高增益电压放大器。 一个理想的运算放大器必须具备下列特性：无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。 最基本的运算放大器如图 23。 一个运算放大器模组一般包括一个正输入端 (OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出端 (OP_O)。 安徽建筑工业学院毕业设计 (论文 ) 7 图 23 最基本的 运算放大器 本系统中由于 磁阻传感器的输出信号幅度很小，无法直接实现航向角的测量，同时为了充分利用 AD，使转换得到满量程，需要对输出信号加以放大。 普通运算放大器一般都有毫伏级的失调电压和每度几微伏的温漂，因此不能直接用于放大微弱信号，考虑到放大器的开环增益、共模抑制比、输入阻抗、 输出阻抗、频带宽度、温度漂移等指标以及罗盘有 X 轴、 Y 轴、 Z 轴三路电桥电压需要放大，系统要求选用的放大器应该是高精度、低漂移、低噪声集成的多路运算放大器。 微控制器 微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。 C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片 [12]，具有与 8051兼容的 CIP51微控制器内核，采用流水线结构，单周期指令运行速度是 8051 的 12 倍，全指令集运 行速度是原来的 倍 ， 是目前世界上速度最快的 8 位单片机。 因此， C8051F 系列单片机作为 SOC 芯片的杰出代表能够满足绝大部分场合的复杂功能要求。 C8051F320 是一款性能优化的 SOC 高速单片机 ， 也是一个功能强大的 USB 接口器件。 C8051F320 片内自带有 USB 收发器和控制处理器是它区别与同一系列产品的一大特点。 用 C8051F320 来进行 USB 技术开发既方便又快捷。 是集成的混合信号片上系统 SOC（ System on chip），具有与 MCS51 内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准 8051 的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。 片内 JTAG 仿真 电路提供全速的电路内仿真，不占用片内用户资源。 内部 Flash 存储器可实现在系统编程，既可作程序存储器也可作非易失性数据存储。 支持断点、单步、观察点、运行和停止等调试命令，并支持存储器和寄存器校验和修改。 安徽建筑工业学院毕业设计 (论文 ) 8 外围模块 电源模块 系统中根据选定的 芯片 供电要求 需提供多种稳压电源，所以 应该 设计有 不同伏值 的电源接口 和其他 电压 调节模块， 电压调节模块 的 功能是将一个直流电压转换为另一个直流电压。 首先， 根据 所选 的 单片机 确定相应的 电压供电；此外，磁阻传感器输出的电压 很小 ， 需要 经放大器放大 再输入到 单片机 IO 口 ， 这样在放大器的电阻分压电路处要接入一个 合适 的基准电压，从而保证输入单片机的模拟电压在规定范围内，因此电路中还设计有 相应的 基准电压源。 各种接口 （ 1） USB 接口 USB 是近年发展起来的一种快速，灵活的总线接口。 它最大的特点是易于使用、可热插拔、接口连接灵活，并且能够提供外设电源，在嵌入式系统及智能仪表中得到广泛的应用。 而 51 系列单片机以其优越的性能、成熟的技术、高性价比被广泛应用于测控仪器等自动化领域。 因此用 51 系列单片机实现 USB 主机接口，进而实现对 USB 外设的控制，对提高整个系统的数 据存储、数据传输、设备控制等性能都有很大的作用。 本文论述的方案基于压强测试仪的应用环境，在开发压强测试仪的过程中根据实际的需求，要求能够存储大量数据，以往的解决方案是 接口，但由于传输速度慢、在高速采样时容易导致数据丢失，而且必须有上位机的参与，这对于室外作业很不方便。 USB 接口克服了上述缺点，测试仪器可以把采集到的数据保存到 u 盘，工作人员可以随时取下 u 盘， 将数据拿到异地进行分析。 （ 2） JTAG 接口 JTAG(Joint Test Action GroUp)联合测试行动小组 )是一种国际标准测试 协议，主要用于芯片内部测试。 现在多数的高级器件都支持 JTAG 协议，如 DSP、 FPGA 器件等。 标准的 JTAG 接口是 4 线： TMS、 TCK、 TDI、 TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。 JTAG 最初是用来对芯片进行测试的，基本原理是在器件内部定义一个 TAP 通过专用的 JTAG 测试工具对进行内部节点进行测试。 JTAG 测试允许多个器件通过JTAG 接口串联在一起，形成一个 JTAG 链，能实现对各个器件分别测试。 现在， JTAG安徽建筑工业学院毕业设计 (论文 ) 9 接口还常用于实现 ISP，对 FLASH 等器件进行编程。 JTAG 编程方式是在线编程，传 统生产流程中先对芯片进行预编程现再装到板上因此而改变，简化的流程为先固定器件到电路板上，再用 JTAG 编程，从而大大加快工程进度。 JTAG 接口可对 PSD 芯片内部的所有部件进行编程。 通常所说的 JTAG 大致分两类，一类用于测试芯片的电气特性，检测芯片是否有问题；一类用于 DebUg；一般支持 JTAG 的 CPU 内都包含了这两个模块。 一个含有JTAG DebUg 接口模块的 CPU，只要时钟正常，就可以通过 JTAG 接口访问 CPU 的内部寄存器和挂在 CPU 总线上的设备，如 FLASH， RAM， SOC（比如 4510B， 44Box，AT91M 系列）内置模块的寄存器， 像 UART， Timers， GPIO 等等的寄存器。 本章小结 本章介绍了罗盘的工作原理，罗盘的工作原理中讲到了磁阻效应是数字罗盘的最基本的工作原理，地 磁场的水平分量永远指向磁北 为 磁罗盘的制作基础。 随后对数字罗盘的微控制器的外围电路设计 中的各个模块进行了简单的介绍。 安徽建筑工业学院毕业设计 (论文 ) 10 3 系统 总体设计 为了提高航向测量精度，克服现有设计中的某些不足， 本课题采用各向异性磁阻传感器 (AMR)、双轴加速度计 (MEMS)、结合 微处理器 芯片制作出一个具有倾斜补偿功能的三维数字罗盘 ，此三维数字罗 盘 利用磁阻传感器的磁阻效应测量地球磁场强度在 X、 Y、 Z轴的分量，结合加速度计测得罗盘的俯仰角和横滚角并以此对 X、 Y轴的磁场强度作倾斜补偿 进 而确定航向角。 系统方案与设计指标 本 系统总体方案 设计主要包括由磁阻传感器、加速度计组成的信号采集模块，由放大器、 微处理器 、 置 复位电路 等 组成的数据处理模块，由 USB 口 、 JTAG 口 等外围电路及 LCD 液晶显示屏组成的数据显示模块。 系统总体设计框图如图 31 所示： 信 号 采 集信 号 放 大放 大 器O P 4 1 3单 片 机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 组 成的 置 复 位 电 路输 出H M C 1 0 5 2磁 阻 传 感 器H M C 1 0 5 1 Z磁 阻 传 感 器A D X L 2 0 2加 速 度 计S / RS / RU S B 口输 出串 口 输 出L C D 液 晶显 示 屏H xH yH z横 滚 角俯 仰 角 图 31 系统总框图 使用霍尼韦尔公司的各向异性磁阻传感器 HMC1052[9]球磁场在 X， Y 轴的分量，HMC1051Z 测量地球磁场 Z 轴分量。 输出信号经过放大后送入 C8051F320 单片机进行模数转换及数据处理，利用磁阻传感器感测得的地球磁场强度来确定航向；双轴加速度计测得俯仰角与横滚角，完成对 X、 Y 轴磁场强度的计算补偿。 通过倾角计算、坐标变换得到的地磁航向角经过修正得到地理航向角，航向角以数字输出的形式通过串口发送到 PC 机，除此之外，采用 LCD 液晶显示屏直接显示航向角 安徽建筑工业学院毕业设计 (论文 ) 11 不同应用的航向角精度不同，如应用于各类导航和精确定位系统的数字罗盘其航向精度为177。 176。 ，俯仰、翻滚精度为177。 176。 ；在超低空遥感平台应用的数 字罗盘航向角精度优于 176。 ，俯仰和翻滚角精度优于 176。 然后确定本系统的指标为：航向角测量范围为 0176。 ~360176。 ，在倾角在 60186。 ~+60176。 范围内航向角精度为  3176。 主要器件选型 选择霍尼韦尔公司的各向异性磁阻传感器 HMC105 HMC1051Z， ADI 公司的双轴加速度计 ADXL202， Cygnal 公司的单片机 C8051F320 以及台湾矽创电子公司的 ST7920 型显示器 等。 下面分别介绍 主要 器件的性能特性及工作原理。 主控芯片 C8051F320 是由美国 Cygnal 公司推出的 C8051F 系列单片机中的一款小型单片机 [11]，采用 开关网络以硬件方式实现 I/O 端口的灵活配置。 在这种通过交叉开关配置的 I/O 端口系统中，单片机外部为通用 I/O 口，如 P0 口、 P1 口和 P2 口。 内有输入 /输出的电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。 其内部结构图如。