数字罗盘的设计与误差补偿方法的研究毕业设计论文.doc

安徽建筑工业学院毕业设计 论文 I 安徽建筑工业学院安徽建筑工业学院 毕 业 设 计 论 文 专专 业业 通信工程通信工程 班班 级级 1010 通信 通信 1 1 班 班 学生姓名学生姓名 王宇轩王宇轩 学学 号号 1020504023810205040238 课课 题题 数字罗盘的设计与误差补偿方法的研究数字罗盘的设计与误差补偿方法的研究 系统总体设计系统总体设计 指导教师指导教师 金勇金勇 2014 年 6 月 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 II 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 姓名 王宇轩 学号 10205040238 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 针对国内外数字罗盘研究 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维数字罗盘 本文分析了磁阻效应 磁阻传感器及加速度计的工作原理及输出信号特征 重点介 绍了整个系统的工作原理及组成 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及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 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 III Abstract Based on understanding of the principle of magnetic navigation and the use of magnetic compass Knowing the digital compass s 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 accuracy s three dimensional digital compass The paper analyzes the magnetoresistance magnetoresistive sensor and the accelerometer output signal characteristics of the working principle Introduce the focus of the whole system works and composition identified the main components of the system indicators and the selection 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 design use the modular design method can be modified and strong can easily be modified as needed Keywords Magnetoresistive sensor Dual axis accelerometer C8051F320 Overall design 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 III 目 录 摘 要 I 1 引 言 1 1 1 课题背景及意义 1 1 2 研究内容 1 1 3 论文结构 2 2 数字罗盘的工作原理 3 2 1 数字罗盘测量原理 3 2 1 1 磁阻效应及磁阻传感器 3 2 1 2 角度测量与方向计算 4 2 2 系统构成 5 2 3 数字罗盘模块 5 2 3 1 磁阻传感器 5 2 3 2 加速度计 6 2 3 3 运算放大器 6 2 3 4 微控制器 7 2 4 外围模块 8 2 4 1 电源模块 8 2 4 2 各种接口 8 1 USB 接口 8 2 JTAG 接口 8 2 5 本章小结 9 3 系统总体设计 10 3 1 系统方案与设计指标 10 3 2 主要器件选型 11 3 2 1 主控芯片 11 3 2 2 磁阻传感器 13 3 2 3 加速度计 15 3 2 4 放大器 17 3 2 5 液晶显示模块 18 3 3 本章小结 19 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 IV 4 系统硬件设计 20 4 1 罗盘航向测量电路设计 20 4 1 1 核心控制电路的设计 20 4 1 2 数字罗盘电路设计 20 1 磁阻传感器电路 21 2 加速度计电路 21 3 置复位电路 21 4 信号放大电路 22 4 2 调试板接口电路设计 22 4 2 1 电源电路及基准电压电路设计 22 1 电源电路 22 2 基准电压电路 23 4 2 2 调试板接口电路设计 23 1 LCD 液晶显示接口电路 23 2 串口通信电路 24 4 3 本章小结 25 5 系统软件设计 26 5 1 系统软件设计概述 26 5 2 软件总体流程 26 5 4 本章小结 27 结 论 28 致 谢 29 参考文献 30 附录 1 系统原理图 32 附录 2 系统 PCB 图 33 附录 3 主程序 35 附录 4 实物图 39 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 1 1 引 言 1 1 课题背景及意义 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及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 1 2 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 并且内置温度补偿 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 研究内容 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 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 2 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 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及 其输出信号特征 分析加速度计的工作原理及输出信号特征 进而分析整个系统的 工作原理及组成 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及意义 课题的主要 研究内容和内容结构 并对数字罗盘在国内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及设计指标 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及方法 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 3 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 磁阻效应及磁阻传感器 磁阻效应 5 指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象 是由 于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的 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 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 4 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 形薄膜中通以电流 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 3 0 6高斯 随地理位置变换而变化 在确定的位置 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 及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 ZYX HHH 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 则可得 cossin 0 sincos0 001 rool R cos0sin 110 sin 0cos pitch R T ZYXrollpicth T ZRYRXR HHHRRHHH 11 设3轴加速计测得的重力加速度为GX GY GZ 可得 arctan ZY GG arctan 22 ZY GGG X arctan YRXR HH 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 2 3 数字罗盘模块 2 3 1 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 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 6 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 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 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 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 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 7 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 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 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 MCS 51 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 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 范围内 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 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 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 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 9 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 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 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 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 3 1 所示 信号采集 信号放大 放大器 OP413 单片机 C8051F320 Ain1 Ain2 Ain3 Do Di0 Do1 由由I IR RF F7 75 50 09 9组组成成 的的置置复复位位电电路路 输出 HMC1052 磁阻传感器 HMC1051Z 磁阻传感器 ADXL202 加速度计 S R S R USB口 输出 串口输出 LCD液晶 显示屏 Hx Hy Hz 横滚角 俯仰角 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 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 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 11 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 航向角测量范围为 0 360 在倾角在 60 60 范围内航向角精度为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 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 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 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 其内部结构图如图 3 2 所示 图 3 2 C8051F320 内部结构示意图 它是集成的混合信号片上系统 SOC System on chip 15 具有与 MCS 51 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 内部 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 12 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 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 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 16 C8051F320 功能部件及特点 1 模拟外设 17 10 位的 ADC 1LSB INL 其最大可编程转换速率可达 200kbps 可多可有 17 个外部输入 可编程为单端输入或差分输入 内置一个温度 传感器 二个模拟比较器 2 4V 的内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 内置一个 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 片内调试模块片内调试电路提供全速 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 目标仿真头和仿真插座的仿真系统有更好的性能 4 工作温度范围 0 70 5 高速 8051 微控制器内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 字节的内部数据 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 时钟源内部晶振 精度为 0 25 支持所有 USB 和 UART 模式 外部晶振器 晶体 RC C 或外部时钟 内置一个针对 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 内部电源操作 10 性能特点 C8051F320 在保持 CISC 结构及指令系统不变的情况下 对指令 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 13 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 双向以及上拉 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 C8051F320 是一款完全集成的混合信号系统级芯片 片内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 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 它内部强大的功能模块 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 性以及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 检测磁场范围广等特点 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 HMC1052 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 角范围为 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120 mV2100 欧8SOIC2 1 mV V Oe 90Deg 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 14 HMC1052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 内部电路 如图3 4所示 图3 4 HMC1052内部电路 HMC1051Z实际上是HMC1052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相同 HMC1051Z内部电路如图3 5所示 图3 5 HMC1051Z内部电路 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 15 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 HMCl051Z 1052 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 其磁场测量范围是 2Gauss 反应时间小于 1us 灵敏度为 3Mv V Gauss 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 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 测量范围为 2 10 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 内部包含多晶硅表面微处理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 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 16 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 相位检波电路以及占空比调制 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加速度计的内部结构原 理图 图3 7 ADXL202加速度计的内部结构原理 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 3V 5 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 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 17 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 地震监控及汽 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 工作温度范围为 40 C 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 18 至 85 C 具有低噪声和低漂移特性 针对具有内部校准能力的系统而设计 通常 这些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 使用内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 频带内的噪声为 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 8 V C 输入共模范围包 括负电源电压 并且在整个电源电压范围的正电源电压 1 V 范围内 针对超过输入 电压范围的情况 OP413 内置反相保护功能 输出电压摆幅也包括负电源电压 并 且可达正供电轨的 1V 范围内 输出在其全部范围内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 是台湾矽创电子公司生产的中文图形控制芯片 它是一种内置 128 64 12 汉字图形点阵的液晶显示控制模块 用于显示汉字及图形 该芯片共内置 8192 个中文汉字 1616 点阵 128 个字符的 ASCII 字符库 8 16 点阵 及 64 256 点 阵显示 RAM GDRAM 为了能够简单 有效地显示汉字和图形 该模块内部设计有 2MB 的中文字型 CGROM 和 64 256 点阵的 GDRAM 绘图区域 17 18 同时 该模块还提供有 4 组可 编程控制的 16 16 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 位并行 8 位并行 2 线串行以及 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 字符产生器以及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 7 5 5V 5V 内置升压电路 一般无需负压 2 功耗 正常模式 450 A 睡眠模式 3 A 低功耗模式 30 A 3 显示内容 128 列 64 行 4 显示颜色 黄绿 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 19 5 显示角度 6 00 钟直视 6 LCD 类型 STN 7 与 MCU 接口 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 设计指标以及系统的主选芯片 数字罗盘系 统方案框图部分介绍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 航向角测量范围为 0 360 在倾角在 60 60 范围 内航向角精度为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 以及台湾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及工作原理 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 20 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 信号放大电路 下层板包括电源及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 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 21 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 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 22 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计 4 2 1 电源电路及基准电压电路设计 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 23 1 电源电路 选择罗盘系统中有源器件的工作电压为 3 3V 5V 2 5V 而数字罗盘使用外部 电源供电电压是 5V 他直接提供给工作电压是 5V 的器件使用 电路如图 4 3 所示 图4 3电源模块电路 2 基准电压电路 基准电压电路用于提供 IC 内部电压基准的参考电压 器件本次设计所用到的 基准电压分别是 3 3V 和 2 5V 其中 3 3V 是为了提供给单片机以及 JTAG 接口电路 所使用的 而 2 5V 是为了给 AD 模块提供的 电路如图 4 6 4 7 所示 图4 6 基准电压电路 2 5V 图4 7 基准电压电路 3 3V 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 24 4 2 2 调试板接口电路设计 1 LCD 液晶显示接口电路 ST7920 有 5 个引脚 引脚 1 接地 引脚 2 接电源 引脚 1 和 2 为 LCD 提供电压 引脚 3 接滑动变阻器 作用是调节 LCD 的亮度 引脚 4 接 CLK 引脚 5 接 SID 数据 数据包括显示数据和命令 电路如图 4 8 所示 图4 8 LCD显示模块电路图 2 串口通信电路 MAX3232 的第 11 脚和单片机的 30 脚连接 第 12 脚和单片机的 29 脚连接 电路如图 4 9 所示 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 25 图4 9 串口模块电路图 3 USB接口通信电路 由于 C8051F320 微控制器内部集成了一个 USB 接收器 简单易用 因此 用它 进行 USB 接口的硬件设计也显得比较简单 不需要任何外部器件就可直接与 USB 接 口相连 电路如图 4 10 所示 图4 10 USB模块电路图 4 JTAG调试口电路 JTAG 可以对同一块电路板上多块芯片进行测试 TRST TCK 和 TMS 信号并 行至各个芯片 而一块芯片的 TDO 接至下一芯片的 TDI 电路如图 4 11 所示 图4 11 JTAG接口电路图 4 3 本章小结 本章简要介绍了本次课题设计时所用到的硬件设计部分 主要介绍了数字罗盘 各硬件模块电路的设计 首先介绍了罗盘航向测量电路 是通过对核心控制电路磁 阻传感器电路 加速度计电路 置复位电路等的设计 以达到测量以及补偿航向角 的目的 然后简略的介绍了外围电路的设计 外围电路为测量电路等模块的有源设 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 26 备提供了工作电压 保证了各模块之间的通信 并且提供了可供测试的 JTAG 端口 并附有各模块的电路设计图 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 27 5 系统软件设计 5 1 系统软件设计概述 在课题本设计中 我们选用高级语言C语言进行系统软件的编程 它的优越之 处就是编程效率高 软件调试直观 开发周期短 可读性强 易于系统维护 升级 代码的重复利用率高 便于跨平台的代码移植和修改 使产品的升级和继承更迅速 开发工具是由Cygnal公司 Silicon laboratories提供的KeiluVision3 uVision源代 码级调试器是一个理想的 快速 可靠的程序调试器 它包含一个高速模拟器 可 模拟整个系统 包括片上外围器件和外部硬件 Keil是近年来非常受仿真机厂家