电子罗盘-218418915.docVIP

范例三 电子罗盘 一．系统概述 本系统的目标是设计一个两轴数字罗盘系统。对其所指的方向进行测量。当系统工作时，系统中的磁阻传感器(HMC1022)对所在地的地磁进行A/D采集，然后对采集量进行处理，将所在的方向相对正北的角度通过串口发送给高端。本系统可工作在正常状态和标定状态。 1 正常状态 在该状态下，系统对地磁进行正常采集后进行校准，然后通过串口将计算的方向角发送出来。 2 标定状态 在该状态下，系统对周围的磁场进行采集，以此为参考，推导出校准参数。退出该状态时，将校准参数保存起来，以便用于对正常状态下采集的数据进行偏置校准。 二．系统输入/输出分析 两轴数字罗盘系统的系统框图如图6-27所示。 图6-27 数字罗盘系统框图 从系统框图中可以看出，两轴数字罗盘系统大体可以分为模拟量输入、开关量输出以及通信量 3 类。 模拟量输入分析如表6-5所示。 表6-5 数字罗盘系统模拟量输入 类型 编号 名称 命名 来源 备注 模拟量输入 1 A轴采集量 A_data 磁阻传感器 范围为-10mV～+10mV 2 B轴采集量 B_data 磁阻传感器 范围为-10mV～+10mV 开关量输出分析如表6-6所示 表6-6 数字罗盘系统开关量输出 类型 编号 名称 命名 控制对象 备注 开关量输入 1 复位置位信号 R/S 磁阻传感器 对HMC1022进行复位置位，0.5A～4A 通信量分析如表6-7所示。 表6-7 数字罗盘系统通信量 编号 名称 命名 备注 1 串口发送数据 TxD 向PC端发送数据 2 串口接受数据 RxD 接收PC端发来的数据 三．硬件设计 1 芯片选型 选取芯片时应该注意：不要将所有的I/O口用满，应当预留一定的输入输出端口，以便扩展需要。通过分析数字罗盘系统的输入量和输出量，发现所需的I/O口较少，为5个。但考虑到该系统对A/D采集精度要求较高并且要求有SCI模块以便于通信，故考虑该系统采用具有10BitA/D采集和SCI模块的MR8。 2 设计框图 数字罗盘系统的硬件框图如图6-28所示，下面将分析A/D采集中的电压放大模块、HMC1022(磁阻传感器)的置位/复位电路和SCI(RS-232)通信模块。 图6-28 基于MR8的数字罗盘系统框图 3 MCU引脚汇总列表 数字罗盘系统中MR8的I/O口具体分配情况如表6-8所示。 表6-8 MR8的I/O分配 分类 名称 编号 MCU引脚 目标对象 说明 1 AD 模块 1 ATD0/PTA0(25) HMC1022放大后的信号输入(A) 获得磁阻传感器的信号 2 ATD1/PTA1(26) HMC1022放大后的信号输入(B) 2 R/S 模块 3 PTB3/TCH0A(19) IRF7105.G1,G2 使HMC1022获得较高的灵敏度 3 SCI 模块 4 PTB1/TxD(17) MAX3232.T1IN 利用MAX3232将TTL电平转换为RS-232电平 5 PTB0/RxD(16) MAX3232.R1OUT 4 模块硬件分析及设计 (1) A/D采集模块 在该模块中，使用MR8内部的A/D模块对HMC1022产生的两路电压采集。考虑到在地球磁场下HMC1022输出的电压范围在－5mv～5mv之间，对于如此小的电压，模数转换器无法准确转换，因此需要对其输出电压进行放大。在该放大电路中使用了AD公司的AMP04。其输出公式为Vout=(Vin+ - Vin-)*Gain+Vref，其中Vout为放大后输出的电压，Vin+ 、Vin-为HMC1022产生信号，Gain为放大倍数，Vref为3.3V。考虑到A/D采集信号最大为5V，决定将放大倍数设为500。又有AMP04的放大倍数Gain＝10K/R，所以在本系统中取R＝200?。具体的信号放大电路如图6-29所示。 (2) HMC1022复位/置位 图6-30 IRF7105的管脚 磁阻传感器所处的磁场并非纯净磁场，不可避免的会收到来自外界磁场的影响。如果磁阻传感器长时间受到外部磁场的影响，会导致其灵敏度下降。环境中的强磁场(大于5Gauss时)会导致磁阻传感器输出信号变异，为了消除这种影响并使输出信号达到最佳，就需要利用传感器中的用来置位或复位的两个合金带来消除剩余磁场。具体是对集成在芯片内部的置位/复位合金带加以3～5安培的脉冲电流，这样就可以重新校准或反置传感器内的磁敏元件。电路中采用MOS管IRF7105产生置位/复位电流。图6-30给出了IRF7105的引脚。 引脚含义简要说明如下： S1（1脚）：地（GND） S2（3脚）：正电源端，接＋5V G1（2脚）：使能N-Channel G2（4脚）：使能P-Channel D1（7、8脚）：N-Channel,产生电流 D2（5、6脚）：