数字罗盘的设计与误差补偿方法的研究毕业论文

1、 .PAGE36 / NUMPAGES41建筑工业学院 毕 业 设 计 (论 文) 专 业 通信工程 班 级 10通信（1）班 学生 王宇轩 学 号 课 题 数字罗盘的设计与误差补偿方法的研究 系统总体设计 指导教师 金勇 2014年6月课题名称 数字罗盘的设计与误差补偿方法的研究系统总体设计院系：电子与信息工程学院 系别：通信工程：王宇轩 学号：班级：10通信（1）班 导师：金勇摘 要本文在了解地磁导航的原理、磁罗盘用途的基础上，针对国外数字罗盘研究开发的现状，采用各向异性磁阻传感器(AMR)、双轴加速度计(MEMS)、结合单片机芯片，研制了一种低成本、高精度基于磁阻技术的具有倾斜补偿功能三

2、维数字罗盘。本文分析了磁阻效应、磁阻传感器与加速度计的工作原理与输出信号特征，重点介绍了整个系统的工作原理与组成，确定了各项系统指标和主要器件的选型，完成了三维数字罗盘系统的总体设计，论述了系统的硬件电路设计与软件的总体设计思想。利用该方案设计的三维数字罗盘测量系统，硬件上具有体积小、重量轻、功耗和成本低等特点；软件设计采用模块化设计方法，可修改性强，能根据需要方便地进行修改。关键词：磁阻传感器 双轴加速度计 C8051F320总体设计AbstractBased on understanding of the principle of magnetic navigation andthe us

3、e of magnetic compass, Knowing the digital compasss research and development of domestic and foreign, Using anisotropic magnetoresistive sensor (AMR), dual-axis accelerometer (MEMS), combined with single chip, Based on magnetoresistive technology developed a low cost with high accuracys three-dimens

4、ional digital compass.The paper analyzes the magnetoresistance, magnetoresistive sensor and the accelerometer output signal characteristics of the working principle, Introducethe focus of the whole system works and composition, identified the main components of the system indicators and the selectio

5、n, complete the three-dimensional digital compass system design are discussed hardware circuit design and software design ideas. This digital compass measurement system, the hardware is small, light weight, power consumption and low cost; software designuse the modular design method can be modified

6、and strong, can easily be modified as needed.Keywords:Magnetoresistive sensorDual-axis accelerometerC8051F320 Overall design目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc264477241摘要 PAGEREF _Toc264477241 h IHYPERLINK l _Toc2644772421 引言 PAGEREF _Toc264477242 h 1HYPERLINK l _Toc2644772431.1 课题背景与意义 PAGEREF _To

7、c264477243 h 1HYPERLINK l _Toc2644772441.2 研究容 PAGEREF _Toc264477244 h 1HYPERLINK l _Toc2644772451.3 论文结构 PAGEREF _Toc264477245 h 2HYPERLINK l _Toc2644772462 数字罗盘的工作原理 PAGEREF _Toc264477246 h 3HYPERLINK l _Toc2644772472.1 数字罗盘测量原理 PAGEREF _Toc264477247 h 3HYPERLINK l _Toc2644772482.1.1 磁阻效应与磁阻传感器 PA

8、GEREF _Toc264477248 h 3HYPERLINK l _Toc2644772492.1.2 角度测量与方向计算 PAGEREF _Toc264477249 h 4HYPERLINK l _Toc2644772502.2 系统构成 PAGEREF _Toc264477250 h 5HYPERLINK l _Toc2644772512.3 数字罗盘模块 PAGEREF _Toc264477251 h 5HYPERLINK l _Toc2644772522.3.1 磁阻传感器 PAGEREF _Toc264477252 h 5HYPERLINK l _Toc2644772532.3.

9、2 加速度计 PAGEREF _Toc264477253 h 6HYPERLINK l _Toc2644772542.3.3 运算放大器 PAGEREF _Toc264477254 h 6HYPERLINK l _Toc2644772552.3.4 微控制器 PAGEREF _Toc264477255 h 7HYPERLINK l _Toc2644772562.4 外围模块 PAGEREF _Toc264477256 h 8HYPERLINK l _Toc2644772572.4.1 电源模块 PAGEREF _Toc264477257 h 8HYPERLINK l _Toc264477258

10、2.4.2 各种接口 PAGEREF _Toc264477258 h 8HYPERLINK l _Toc264477259（1）USB接口 PAGEREF _Toc264477259 h 8HYPERLINK l _Toc264477260（2）JTAG接口 PAGEREF _Toc264477260 h 8HYPERLINK l _Toc2644772612.5 本章小结 PAGEREF _Toc264477261 h 9HYPERLINK l _Toc2644772623 系统总体设计 PAGEREF _Toc264477262 h 10HYPERLINK l _Toc2644772633

11、.1系统方案与设计指标 PAGEREF _Toc264477263 h 10HYPERLINK l _Toc2644772643.2 主要器件选型 PAGEREF _Toc264477264 h 11HYPERLINK l _Toc2644772653.2.1 主控芯片 PAGEREF _Toc264477265 h 11HYPERLINK l _Toc2644772663.2.2磁阻传感器 PAGEREF _Toc264477266 h 13HYPERLINK l _Toc2644772673.2.3 加速度计 PAGEREF _Toc264477267 h 15HYPERLINK l _T

12、oc2644772683.2.4 放大器 PAGEREF _Toc264477268 h 17HYPERLINK l _Toc2644772693.2.5 液晶显示模块 PAGEREF _Toc264477269 h 18HYPERLINK l _Toc2644772703.3 本章小结 PAGEREF _Toc264477270 h 19HYPERLINK l _Toc2644772714 系统硬件设计 PAGEREF _Toc264477271 h 20HYPERLINK l _Toc2644772724.1罗盘航向测量电路设计 PAGEREF _Toc264477272 h 20HYPE

13、RLINK l _Toc2644772734.1.1核心控制电路的设计 PAGEREF _Toc264477273 h 20HYPERLINK l _Toc2644772744.1.2数字罗盘电路设计 PAGEREF _Toc264477274 h 20HYPERLINK l _Toc264477275（1）磁阻传感器电路 PAGEREF _Toc264477275 h 21HYPERLINK l _Toc264477276（2）加速度计电路 PAGEREF _Toc264477276 h 21HYPERLINK l _Toc264477277（3）置复位电路 PAGEREF _Toc2644

14、77277 h 21HYPERLINK l _Toc264477278（4）信号放大电路 PAGEREF _Toc264477278 h 22HYPERLINK l _Toc2644772794.2调试板接口电路设计 PAGEREF _Toc264477279 h 22HYPERLINK l _Toc2644772804.2.1电源电路与基准电压电路设计 PAGEREF _Toc264477280 h 22HYPERLINK l _Toc264477281（1）电源电路 PAGEREF _Toc264477281 h 22HYPERLINK l _Toc264477282（2）基准电压电路 P

15、AGEREF _Toc264477282 h 23HYPERLINK l _Toc2644772834.2.2调试板接口电路设计 PAGEREF _Toc264477283 h 23HYPERLINK l _Toc264477284（1）LCD液晶显示接口电路 PAGEREF _Toc264477284 h 23HYPERLINK l _Toc264477285（2）串口通信电路 PAGEREF _Toc264477285 h 24HYPERLINK l _Toc2644772864.3本章小结 PAGEREF _Toc264477286 h 25HYPERLINK l _Toc2644772

16、875 系统软件设计 PAGEREF _Toc264477287 h 26HYPERLINK l _Toc2644772885.1 系统软件设计概述 PAGEREF _Toc264477288 h 26HYPERLINK l _Toc2644772895.2 软件总体流程 PAGEREF _Toc264477289 h 26HYPERLINK l _Toc2644772905.4 本章小结 PAGEREF _Toc264477290 h 27HYPERLINK l _Toc264477291结论 PAGEREF _Toc264477291 h 28HYPERLINK l _Toc2644772

17、92致 PAGEREF _Toc264477292 h 29HYPERLINK l _Toc264477293参考文献 PAGEREF _Toc264477293 h 30HYPERLINK l _Toc264477294附录1 系统原理图 PAGEREF _Toc264477294 h 32HYPERLINK l _Toc264477295附录2 系统PCB图 PAGEREF _Toc264477295 h 33HYPERLINK l _Toc264477296附录3 主程序 PAGEREF _Toc264477296 h 35HYPERLINK l _Toc264477297附录4 实物图

18、 PAGEREF _Toc264477297 h 391 引 言1.1 课题背景与意义地磁导航是一种重要的导航方式，广泛应用于航海、海上平台控制、GPS集成死区推估等方面。地磁导航可以作为组合导航的辅助导航方式，随着多传感器融合技术的不断发展，单一的导航系统都有着各自的独特性能与局限性，将地磁导航与GPS导航等导航方式联用，弥补其不能定向的缺点与其它外界因素所带来的精度误差，就可实现利用多种信息源互相补充和校正，构成一种有多余度和导航准确度更高的多信息源组合导航系统。磁罗盘12作为地磁导航的重要工具，可实时提供航向，广泛应用于航空、航海、车载定位等领域。在微控制器广泛应用的今天，利用磁阻器件和

19、单片机可以制作集成化和智能化的数字罗盘，本课题正是在此基础上设计并制作具有倾角补偿功能的三维数字罗盘3。磁罗盘主要分为磁通门和磁阻式。虽然磁通门传感器能够提供低成本的磁场探测方法，但它们体积偏大、易碎、响应时间慢。而使用磁阻传感器的磁罗盘具有体积小、重量轻、精度高、可靠性强、响应速度快等优点，是未来磁罗盘的发展方向。在国外数字式磁罗盘已经发展成为一种重量轻、体积小、稳定性、可靠性的姿态传感器，并且被广泛应用于航空、航天、航海、车辆导航等领域4。随着科技和现代测控事业的发展，对测向传感器的精度提出了更高的要求，国外已研制出了高精度的数字式磁罗盘。由于受MEMS 技术和计算机技术发展的制约，我国在

20、数字罗盘研制领域的进展相对缓慢大多航向精度不高，抗干扰能力和可靠性相对国外产品较差。由于数字罗盘三轴磁阻传感器具有测量平面地磁场，双轴倾角补偿、高速高精度A/D转换，并且置温度补偿，可最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移等特点，已经越来越广泛的取代传统定位。1.2 研究容本课题需要设计一种采用各向异性磁阻传感器(AMR)、双轴加速度计(MEMS)、结合单片机芯片，研制一种低成本、高精度基于磁阻技术的具有倾斜补偿功能三维数字罗盘，并根据系统精度误差来源的分析提出相应的误差补偿方案。三维数字罗盘中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

21、此对X、Y轴的磁场强度作倾斜补偿，从而确定航向角。本子课题通过了解地磁导航的原理，分析磁阻效应、磁阻传感器的工作原理与其输出信号特征；分析加速度计的工作原理与输出信号特征，进而分析整个系统的工作原理与组成，确定各项系统指标，完成三维数字罗盘系统的总体设计。从而实现三维数字罗盘的系统功能。系统主要功能：测量地球磁场强度在X、Y、Z轴的分量；测得罗盘的俯仰角和横滚角；对X、Y轴的磁场强度作倾斜补偿，从而确定航向角。1.3 论文结构本论文共分为五章。第一章：引言，主要介绍课题的背景与意义，课题的主要研究容和容结构，并对数字罗盘在国国外的研究发展状况进行了论述。第二章：数字罗盘的工作原理，本章简述了地

22、磁测量的数学原理，并详细分析了航向、姿态计算理论。第三章：介绍系统总体设计方案，介绍测量航向角的基本原理和基本计算方法，并画出系统总体框图与设计指标。第四章：介绍系统硬件设计，简单介绍本设计中上层板和下层板的关键电路的总体设计并附电路图。第五章：介绍系统软件设计，简要说明了系统软件设计的总体流程与方法。2 数字罗盘的工作原理数字罗盘最基本的工作原理磁阻效应，磁阻传感器正是根据磁阻效应生产的电子器件。三维数字罗盘正是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，从而确定航向角。2.1 数字罗盘测量原理系统首

23、先采集三轴加速度计和三轴磁阻传感器的信号，由于磁阻传感器的输出均为mV级的电压信号，所以必须经过信号放大器调理后，才可以送到微处理器进行模数转换并进行实时的姿态矩阵计算，同时进行系统误差校正，最终得到稳定的姿态参数。2.1.1 磁阻效应与磁阻传感器磁阻效应5指某些 HYPERLINK :/baike.baidu /view/6314.htm t _blank 金属或 HYPERLINK :/baike.baidu /view/19928.htm t _blank 半导体的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/3571.htm t _blank 电阻值随外加 HYPERL

24、INK :/baike.baidu /view/351.htm t _blank 磁场变化而变化的现象，是由于 HYPERLINK :/baike.baidu /view/394083.htm t _blank 载流子在磁场中受到 HYPERLINK :/baike.baidu /view/8998.htm t _blank 洛伦兹力而产生的。在达到稳态时，某速度的载流子所受到的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/807471.htm t _blank 电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦

25、兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加，或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加，种现象称为磁阻效应。磁阻效应原理图如图2-1所示。图2-1 磁阻效应原理图磁阻传感器是利用薄膜工艺和微细加工技术制作成的，具体来讲是磁阻传感器它是采用半导体加工工艺，将各向异性铁磁材料(玻莫合金、镍铁合金)熔制在硅片上，形成条形薄膜6。形薄膜以电流，并施加垂直于电流的磁场时，薄膜电阻会发生明显变化，其电阻阻值取决于电流方向和磁化方向的夹角，而磁化方向取决于薄膜材料的易磁化轴、形状和磁化磁场的方向。2.1.2 角度测量与方向计算地球的磁场强度为0.30.6高斯(随地理位置变换而变化，在确定的

26、位置，地磁场强度恒定)。磁力线从南极指向北极，在两极垂直于地球表面，在赤道平行于地球表面。磁南北极与地理南北极并不重合，而是有一个11.5的夹角。地理北(南)极和磁北(南)极问的偏差角称为磁偏角7。磁偏角随地理位置变化而变化，只要知道具体位置的经纬度，就可以计算出磁偏角，从而通过修正获得的正确方向角(文中所提与的方向角都是相对于磁北极而言的)。图2-2是地球磁场三维矢量示意图。航向角()：载体纵轴在水平面上的投影与地理子午线之间的夹角。俯仰角()：载体纵轴和纵向水平轴之间的夹角。横滚角()：载体纵向对称平面与纵向铅垂平面之间的夹角。图2-2 地球磁场三维矢量示意图将磁阻传感器的3个敏感轴沿载体

27、的3个坐标轴安装。分别测量地磁场磁感应强度H在载体坐标系3个坐标上的投影分量。在地平坐标系中，磁阻传感器的三轴输出为。令，则可得：设3轴加速计测得的重力加速度为GX，GY，GZ，可得：2.2 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口等外围电路以与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。2.3 数字罗盘模块2.3.1

28、 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。在其线性围

29、，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，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）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、无接触测量与宽温度围；（7）可进行动态和静态测量。2.3.2 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

30、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

31、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。2.3.3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2-3。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)。图2-3 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

32、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、温度漂移等指标以与罗盘有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。2.3.4 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CIP-51微控制器核，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9.5倍，是目前世界上速度最快的8位单片机。因此，C8051F系列单

33、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MCS-51核与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与功能部件。片JTAG仿真电路提供全速的电路仿真，不占用片用户资源。部Flash存储器可实现在系统编程

34、，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。2.4 外围模块2.4.1 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围，因此电路中还设计有相应的基准电压源。2.4.2 各种接口（1）USB接口USB是近年

35、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，在嵌入式系统与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RS.232C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。

36、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，基本原理是在器件部定义一个TAP通过专用的JTAG测试工具对进行部节点进行测试。JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTA

37、G链，能实现对各个器件分别测试。现在，JTAG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的部寄存器和挂在CPU总线上的设备，如FLASH，RAM，SO

38、C（比如4510B，44Box，AT91M系列）置模块的寄存器，像UART，Timers，GPIO等等的寄存器。2.5 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。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

39、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。3.1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口等外围电路与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3-1所示：图3-1 系统总框图使用霍尼韦尔公司的各向异性磁阻传感器HMC10529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与数据处理，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

40、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0.8，俯仰、翻滚精度为0.5；在超低空遥感平台应用的数字罗盘航向角精度优于0.5，俯仰和翻滚角精度优于0.2然后确定本系统的指标为：航向角测量围为0360，在倾角在-60+60围航向角精度为3。3.2 主要器件选型选择霍尼韦尔公司的各向异性磁阻传感器HMC1052、HMC1051Z，ADI公司的双轴加速度计ADXL202，C

41、ygnal公司的单片机C8051F320以与矽创电子公司的ST7920型显示器等。下面分别介绍主要器件的性能特性与工作原理。3.2.1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。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。其部结构图如图3-2所示。图3-2 C8051F320部结构示意图它是集成的混合信号片上系统SOC(System on chip)15，具有与M

42、CS-51核与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与功能部件。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。片JTAG仿真电路提供全速的电路仿真，不占用片用户资源。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。C8051F320片自带有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16。C8051F320功能部件与特点：(1)模拟外设1710位的ADC(1LSB INL):其最大可编

43、程转换速率可达200kbps，可多可有17个外部输入，可编程为单端输入或差分输入，置一个温度传感器、二个模拟比较器、2.4V的部电压基准和精确的Vdd监视器和欠压检测器。(2)USB功能控制模块 满足USB2.0协议，可在全速(12 Mbps)或低速(1.5 Mbps)下运行，集成有一个时钟恢复源，对于全速或低速传输均可不用外部晶振；8个灵活通用的端点，置一个1K的USB专用缓冲存储器，集成了一个USB接收器，不需要外部电阻。(3)片调试模块片调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试(不需仿真器)，支持端点、单步、观察点、堆栈监视器，可以观察/修改存储器和寄存器，比使用仿真芯片、目标仿真头和仿真

44、插座的仿真系统有更好的性能。(4)工作温度围:070(5)高速8051微控制器核采用流水线指令结构，其70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期，速度可达25 MIPS(时钟频率为25MHz时)。(6)存储器1280字节的部数据RAM(1K+256)，16K字节的可以在系统编程的Flash闪速存储器。(7)数字外设25个字节宽的端点I/O，所有口线均耐5V电压，可同时使用UART串口、硬件SMBusTM、SPITM，带有4个可编程的16位计数器/定时器阵列，带有5个捕捉/比较模块的通用16位计数器/定时器。(8)时钟源部晶振，精度为0.25，支持所有USB和UART模式，外部晶振器:晶体、

45、RC、C或外部时钟，置一个针对USB控制器的片上时钟乘法器。(9)供电电压片上的参考电源校准器支持USB总线电源操作，校准器的Bypass模式支持USB部电源操作。(10)性能特点C8051F320在保持CISC结构与指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水作业，推出了CIP-51的CPU模式，从而大大提高了指令运行速度，使8051兼容机系列进入了8位高速单片机行列。传统的单片机I/O端口大都是固定为某个特殊功能的输入/输出口，可以是单功能或多功能，I/O端口可编程选择为单向/双向以与上拉、开漏等。这种固定方式既占用较多引脚，配置又不够灵活。C8051F320采用开关网络以硬件方式实现I/O端

46、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。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。C8051F320是一款完全集成的混合信号系统级芯片，片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与功能部件。其中值得我们注意的是，它集成有一个USB接口，所以我们也可将其看成是一款带USB接口的微处理器。C8051F320与市场上同类带USB接口的微处理器相比较，它部强大的功能模块大大简化了USB技术的开发，还能很好地缩短开发周期。C8051F320是一款性能优化的SOC高速单片机，也是一个功能强

47、大的USB接口器件。在开发和应用其USB技术时，与同类产品相比，它在性能、速度、方便性以与成本等方面都具有很大的优势。3.2.2磁阻传感器磁阻传感器选用HMC1052磁阻传感器和HMC1051Z磁阻传感器测量X、Y、Z轴分量。HMC1052磁阻传感器将二维或三维的高性能磁阻传感器集中在单个的芯片上。具有超低功耗、供电电压低于1.8V、带10针的小型表贴外形、尺寸小、灵敏度高、检测磁场围广等特点。近乎完美的正交双轴感应（误差0.01度），且灵敏度互相匹配，消除了指向误差。位于芯片上的置位/复位带，减少了温度漂移影响，非线性误差，也减少了大磁场存在引起的信号输出损失。而HMC1051Z是HMC10

48、52的单轴版本。HMC1512 线性、角、旋转位移传感器采用8-pin SOIC封装，可用于测量磁铁的磁场角方向，分辨率0.07度，角围为90。其产品参数为表3-1所示。表3-1 HMC1052标准参数参数峰-峰值桥电阻引脚数封装类型灵敏度量程数值120mV2100欧8SOIC2.1mV/V/Oe90DegHMC1052是一个双轴线性磁阻传感器，每个传感器都有一个由铁镍薄膜合金组成的惠思顿桥。当桥路加上供电电压时，传感器将磁场强度转化为电压输出。HMC1052包含两个敏感元件，它们的敏感轴相互垂直，且参数相互匹配。部电路如图3-4所示：图3-4 HMC1052部电路HMC1051Z实际上是HM

49、C1052的单轴版本，HMC1051Z是从HMC1052派生的单桥电路，为8-pin SIP封装，其参数与HMC1052一样。HMC1051Z部电路如图3-5所示：图3-5 HMC1051Z部电路根据方案设计的技术要求，为提高数字罗盘的航向测量精度，磁阻传感器需要选用高分辨率的型号，来提高数字罗盘的角度分辨率。本系统所用的磁阻传感器是HMCl051Z1052单轴双轴磁阻传感器，由它们组合成3轴磁阻传感器，可测量X、Y、Z轴的磁场分量。其磁场测量围是2Gauss，反应时间小于1us，灵敏度为3MvVGauss，分辨率可达27uGauss。传感器的芯片上有两个磁耦合的电流带：偏置电流带和置位电流带

50、，省去了外加线圈的需要。在设计磁阻传感器的外围电路的时候，需要注意的是：因为磁阻传感器信号输出变化幅度非常小，同时为差分输出。因此在尽量保持磁阻传感器的同一信号的差分输出线平行同时，避免在这两根线之间的区域(ZONE)布地线。磁阻传感器封装如图3-6所示：图3-6 HMC1052、HMC1051Z封装图3.2.3加速度计加速度计选用ADXL202。ADXL202是ADI公司出品的一款双轴加速度测量系统，模拟输入，可测量动态加速度和静态加速度，测量围为(210)g，输出为周期可调的脉宽调制信号，可以直接与单片机或计数器连接。ADXL202为单片集成电路，集成度高、结构简单，部包含多晶硅表面微处理

51、传感器和信号控制电路，以实现开环加速度测量结构。与其他加速度计相比，ADXL202可在很大程度上提高工作带宽，降低噪声影响，零重力偏差和温度漂移也相对较低。ADXL202传感器由振荡器，X、Y方向传感器，相位检波电路以与占空比调制器组成，具有数字输出接口和模拟电压信号输出接口。X、Y方向传感器是2个相互正交的加速度传感器，它们同时工作，可以测量动态变化的加速度和恒定的加速度。传感器之后级连相位检波器，主要是用来修正信号，并对信号的方向做出判断。检波器输出的信号，通过一个32 k的电阻来驱动占空比调制器，通过在XFILT和YFILT引脚外接电容CX和CY来改变带宽。图3-7为DXL202加速度计

52、的部结构原理图。图3-7 ADXL202加速度计的部结构原理ADXL202具有以下特点:（1）ADXL202是集双轴加速度传感器于一体的单块集成电路；（2）它既可测量动态加速度，又可测量静态加速度；（3）具有脉宽占空比输出；（4）低功耗(0.6mA)；（5）比电解质、水银、热能、斜度测量仪响应快；（6）每根轴的带宽均可通过电容调整；（7）60Hz带宽时的分辨率为5mg；（8）直流工作电压为3V5.25V；（9）可承受1000g的剧烈冲击。ADXL202传感器的应用方法经过验证完全可行，并且能够达到较高的测量精度。由于集成度高，由ADXL202和ARM系列微控制器组成的系统完全可以用于汽车、火车

53、等交通工具的安全控制系统。ADXL202在惯性导航、倾斜感应、地震监控与汽车保险等领域都有着广泛的应用，精度高、集成度高、功耗低等特点使之完全可以取代传统的加速度传感器。ADXL202管脚如图3-8所示： 图3-8 ADXL202引脚图（顶视图）3.2.4放大器本课题选用ADI公司提供的OP413放大器， OP413管脚如图3-9所示：图3-9 OP413结构原理图起到放大HMC1052、HMC1051Z信号的作用，其信息被认为是准确和可靠。OP413额定电源电压为5V（单电源）和15V（双电源），工作温度围为40C至+85C，具有低噪声和低漂移特性，针对具有部校准能力的系统而设计。通常，这些

54、基于处理器的系统能够校正失调电压和增益，但无法校正温度漂移和噪声。OP413针对这些参数进行了优化，既可以利用出色的模拟性能，同时又具备数字校正功能。使用部校准的许多系统一般采用5V或12V单极性电源供电。OP413为单位增益稳定型，典型增益带宽积为3.4MHz。压摆率超过1V/s。噪声密度极低，为4.7nV/Hz；0.1Hz至10Hz频带的噪声为120nV峰峰值。不仅可保证输入失调电压性能，而且能保证失调电压漂移低于0.8V/C。输入共模围包括负电源电压，并且在整个电源电压围的正电源电压1 V围。针对超过输入电压围的情况，OP413置反相保护功能。输出电压摆幅也包括负电源电压，并且可达正供电

55、轨的1V围。输出在其全部围具有吸电流和源电流能力，额定负载为600。3.2.5液晶显示模块ST7920是矽创电子公司生产的中文图形控制芯片，它是一种置12864-12汉字图形点阵的液晶显示控制模块，用于显示汉字与图形。该芯片共置8192个中文汉字（1616点阵）、128个字符的ASCII字符库（816点阵）与64256点阵显示RAM（GDRAM）。为了能够简单、有效地显示汉字和图形，该模块部设计有2MB的中文字型CGROM和64256点阵的GDRAM绘图区域1718；同时，该模块还提供有4组可编程控制的1616点阵造字空间；除此之外，为了适应多种微处理器和单片机接口的需要，该模块还提供了4位并

56、行、8位并行、2线串行以与3线串行等多种接口方式。利用上述功能可方便地实现汉字、ASCII码、点阵图形、自造字体的同屏显示，所有这些功能（包括显示RAM、字符产生器以与液晶驱动电路和控制器）都包含在集成电路芯片里，因此，只要一个最基本的微处理系统就可以通过ST7920芯片来控制其它的芯片。ST7920的主要技术参数和显示特性如下：（1）电源：VDD(2.75.5V)5V(置升压电路，一般无需负压)；（2）功耗：正常模式：450A，睡眠模式：3A，低功耗模式：30A；（3）显示容：128列 64行；（4）显示颜色：黄绿；（5）显示角度：6:00钟直视；（6）LCD类型：STN；（7）与MCU接口

57、：8位并行3位串行；（8）配置有LED背光显示功能；（9）带有自动启动复位按钮(RESET)；LCD与主MCU的连接方式有并联和串联两种方式。这就决定的LCD接收数据的方式有两种方式。串联方式是显示数据和控制命令依次每个bit传送到液晶显示器，而并联每次传输是以byte为单位的。本次设计因为外围硬件较多，I/O口较为紧缺，所以我们决定采用串行工作方式。串行接口非常简单，只需要三条线与单片机的I/O口相连接即可操作。使用串口通讯模式，可将PSB接固定低电平，可以用该引脚与“GND”短接的方法实现。3.3本章小结本章介绍了数字罗盘的系统方案、设计指标以与系统的主选芯片。数字罗盘系统方案框图部分介绍

58、了系统包含的几个主要模块：传感器模块、数据采集模块和核心控制模块；设计指标：航向角测量围为0360，在倾角在-60+60围航向角精度为3。本章还详细介绍了各种器件的选型，如选择霍尼韦尔公司的各向异性磁阻传感器HMC1052、HMC1051Z，ADI公司的双轴加速度计ADXL202，Cygnal公司的单片机C8051F320以与矽创电子公司生产的ST7920的液晶显示器件等。另外分别重点讲述了主要器件的性能特性与工作原理。4 系统硬件设计本课题的数字罗盘的硬件设计主要包括上层板和下层板。上层板包括核心控制电路和罗盘航向测量电路。罗盘航向测量电路又包括磁阻传感器电路、加速度计电路、置复位电路、信号

59、放大电路。下层板包括电源与基准电压电路和调试板接口电路。调试板接口电路又包括LCD液晶显示接口、串口通信电路、USB接口通信电路、JTAG调试口电路19-24。4.1罗盘航向测量电路设计4.1.1核心控制电路的设计作为整个设计的核心部分，微处理器负责对传感器采集的信号进行实时处理，通过姿态矩阵和误差校正，可以得到载体的姿态参数。电路如图4-1所示。图4-1 核心控制电路4.1.2数字罗盘电路设计罗盘航向电路主要包括：磁阻传感器电路、加速度计电路、置复位电路、信号放大电路等。具体电路设计情况如下：（1）磁阻传感器电路磁阻传感器电路是数据采集模块的重要组成部分，电路如图4-2所示：图3-2 磁阻传

60、感器电路（2）加速度计电路ADXL202是一种低成本、低功耗、功能完善的双轴加速度传感器，采用14引脚表面封装，电路如图4-3所示：图4-3 加速度计电路（3）置复位电路置复位电路是用于消除高强度磁场对磁阻传感器的影响，使其恢复到测量磁场的高灵敏度状态。置位/复位信号在微处理器的控制下产生，置位脉冲和复位脉冲对传感器所起的作用基本一样，唯一的区别是传感器的极性改变。电路如图4-4所示：图4-4 置复位电路（4）信号放大电路本课题选用OP413芯片，电路如图4-5所示：图4-5 信号放大电路4.2调试板接口电路设计4.2.1电源电路与基准电压电路设计（1）电源电路选择罗盘系统中有源器件的工作电压