引言
地磁场是地球系统的基本物理场,人们从古代就开始利用地磁信息进行导航。地磁场为航空、航天、航海提供了天然的参考系,可应用于航天器或舰船的定位、定向以及姿态控制。利用地球磁场空间分布的磁导航技术简便高效、性能可靠、抗干扰能力强,一直是世界发达国家不可缺少的基本定位手段。
MMC212xMC 是美新公司推出的一款集成信号处理模块和I2C总线的2轴MEMS地磁传感器。本文设计一种基于嵌入式系统ARM9和地磁传感器MMC212xMG的数字寻北仪。
1 系统方案
为了保证寻北仪的优越性能,其控制处理模块采用嵌入式系统。嵌入式系统一般应用在掌上仪器、便携式系统等设计中,具有便利灵活、功能强大、嵌入性强等特点,可以实现运算、处理、存储和控制等功能。嵌入式系统包括硬件和软件两部分,即嵌入式微处理器和嵌入式操作系统。本文设计的寻北仪采用S3C2440A微处理器和WinCE 4.2操作系统。
1.1 MMC212xMG地磁传感器
MMC212xMG 是基于AMR(Anisotropic MagnetoResistive,各向异性磁阻)设计的2轴MEMS(Microelectromechanical System,微机电系统)地磁传感器,集成信号处理模块和I2C总线(400 kHz快速模式),可以方便地与其他控制器通信,而不需要A/D转换和定时器。该传感器可以测量的磁感应强度的范围为-2~+2 Gs(1 Gs=10-4T),在3.0 V工作电压和25℃的室温条件下,其灵敏度为512计数/Gs。
1.2 S3C2440A微处理器
Samsung 公司的S3C2440A是一款基于ARM920T内核的32位RISC嵌入式微处理器。其主频为400MHz,采用5级流水线结构,具有高速缓存和内存管理单元;提供丰富的外同资源,包括130个通用I/O接口和24路外部中断源、NAND Flash接口、SDRAM接口、SD卡接口、100M以太网接口、USB接口、触摸屏接口、CMOS图像传感器接口、SPI接口、I2C 接口、I2S接口、PWM功能、内嵌的LCD控制器、8通道的10位ADC、电源管理等。
1.3 WinCE 4.2操作系统
WinCE是微软推出的嵌入式实时多任务操作系统。它延伸了台式机Windows操作系统的外部特征,在内部用嵌入式实时操作系统的技术来实现Win32 API的子集,以简洁、高效的完全抢占式多任务为核心,支持强大的通信和图形显示功能;而且它的平台定制工具PlatformBuilder和应用软件开发工具Embedded Visual C++都是非常强大实用的开发工具,为嵌人式便携式仪表的软件开发提供了一个标准的平台。
1.4 方案设计
寻北仪的系统框图如图1所示。以S3C2440A为控制核心,通过I2C总线和地磁传感器MMC212xMG通信。在WinCE 4.2嵌入式操作系统环境下,开发数据分析处理和显示程序。
2 硬件设计
作者:高军哲,潘孟春,田武刚,胡佳飞
MMC212xMG的工作电源范围较宽,其中模拟电路工作电源 VDA的范围为2.7~5.25 V,数字电路工作电源VDD的范围为1.62~5.25 V。S3C2440A的工作电源为3.3 V,为了保证I2C总线的可靠通信,系统统一采用+3.3 V供电;同时,将+3.3 V分为模拟电源和数字电源,以提高系统的抗干扰能力。
MMC212xMG的引脚功能如表1所列。引脚1和8为工厂测试引脚,使用时可以不连接。引脚2连接10μF电容,引脚4和5之间连接1μF电容,实现芯片的设置/复位功能。引脚3和7分别为芯片的模拟电源和数字电源。引脚6为芯片的地线引脚。引脚9和10为I2C通信的时钟引脚和数据引脚,上拉到数字电源。
MMC212xMG的工作电路如图2所示,I2C总线引脚 9和10连接至S3C2440A。在I2C通信过程中,S3C2440A为主器件,MMC212xMG为从器件,主器件通过从器件地址寻址和特定的从器件通信,进行读写操作。
3 软件设计
在嵌入式操作系统WinCE 4.2环境下,采用EVC开发地磁测量信息采集、处理和显示程序,主要包括基于I2C总线的测量数据读取、地磁测量信号的数据处理和虚拟仪表界面设计。
3.1 基于I2C总线的测量数据读取
为了便于在I2C总线通信中连接多个地磁传感器,MMC212xMG有4种不同的器件地址(工厂定义),分别为60H、64H、68H和6CH。本系统中所用到的器件地址为60H。MMC212xMG的内部寄存器有5个字节,第1个字节为器件控制命令寄存器,可以对其设定命令值来启动相应的动作。各命令控制字定义如表2所列。
内部寄存器的第2和3个字节为X轴磁场测量值,第4和5个字节为Y轴磁场测量值。启动MMC212xMG进行测量的命令流程如图3所示。
在启动测量命令完成后,延时10 ms,读取测量数据。其流程如图4所示。
3.2 地磁测量信号的数据处理
为了消除显示上的抖动,可以采用均值滤波,即采集5次地磁测量信号,求出方位角后,取平均值送显示。
为了提高指向的精度,可采取非线性校准技术。以45°为间隔,让地磁传感器模块分别指向正北、东北、正东、东南、正南、西南、正西和西北8个方向,对这8个方向的地磁方位角测量多次取平均值后,存储作为校准表。在实际测量过程中,获得测量数据后,利用校准值对其进行线性插值,求取方位角。
3.3 虚拟仪表界面设计
寻北仪的显示界面模拟机械式指南针进行设计,以达到显示直观的效果。EVC提供了丰富的界面绘图API函数,可以轻易实现虚拟仪表界面的设计。软件平台在运行过程中,采用多线程技术实时读取地磁传感器的测量信息,经过数据处理后送虚拟仪表界面显示。
4 系统演示
寻北仪实物图如图5所示。系统由两部分组成:由S3C2440A构成的嵌入式系统模块和由MMC212xMG构成的地磁传感器模块。图5(a)为地磁传感器模块指向北的效果图,图5(b)为指向任意方位的效果图。
在实际使用过程中,可以将嵌入式系统模块和地磁传感器模块安装成为一个整体,构成便携式寻北仪;也可以分开安装,嵌入式系统模块同时获取其他传感器(如加速度传感器、GPS传感器等)的信息,构成组合导航系统。
结语
本文采用嵌入式微处理器S3C2440A和MEMS地磁传感器MMC212xMG设计了一款数字寻北仪。该系统与机械式指南针相比,具有人机界面友好、不受惯性影响、数据可存储等优点。经过长时间运行测试,寻北仪工作稳定,可以满足高精度寻北要求。
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