用ARM9和MMC212xMG設計數(shù)字尋北儀
國防科技大學機電工程與自動化學院 高軍哲 潘孟春 田武剛 胡佳飛
摘要： 為了保證尋北儀的優(yōu)越性能,，其控制處理模塊采用嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般應用在掌上儀器,、便攜式系統(tǒng)等設計中,，具有便利靈活、功能強大,、嵌入性強等特點,，可以實現(xiàn)運算、處理,、存儲和控制等功能,。嵌入式系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，即嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng),。本文設計的尋北儀采用 S3C2440A微處理器和WinCE 4.2操作系統(tǒng),。
Abstract：
Key words :
地磁場是地球系統(tǒng)的基本物理場，人們從古代就開始利用地磁信息進行導航,。地磁場為航空,、航天,、航海提供了天然的參考系，可應用于航天器或艦船的定位,、定向以及姿態(tài)控制,。利用地球磁場空間分布的磁導航技術簡便高效、性能可靠,、抗干擾能力強,，一直是世界發(fā)達國家不可缺少的基本定位手段。
1 系統(tǒng)方案
為了保證尋北儀的優(yōu)越性能，其控制處理模塊采用嵌入式系統(tǒng),。嵌入式系統(tǒng)一般應用在掌上儀器,、便攜式系統(tǒng)等設計中，具有便利靈活,、功能強大,、嵌入性強等特點，可以實現(xiàn)運算,、處理,、存儲和控制等功能。嵌入式系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分,，即嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng),。本文設計的尋北儀采用 S3C2440A微處理器和WinCE 4.2操作系統(tǒng)。
1.1 MMC212xMG地磁傳感器
MMC212xMG是基于AMR(Anisotropic MagnetoResistive,，各向異性磁阻)設計的2軸MEMS(Microelectromechanical System,，微機電系統(tǒng))地磁傳感器，集成信號處理模塊和I2C總線(400 kHz快速模式),，可以方便地與其他控制器通信,，而不需要A／D轉換和定時器。該傳感器可以測量的磁感應強度的范圍為-2～+2 Gs(1 Gs="10-4T"),，在3.0 V工作電壓和25℃的室溫條件下,，其靈敏度為512計數(shù)／Gs。
1.2 S3C2440A微處理器
Samsung公司的S3C2440A是一款基于ARM920T內核的32位RISC嵌入式微處理器,。其主頻為400MHz,，采用5級流水線結構,，具有高速緩存和內存管理單元,；提供豐富的外同資源，包括130個通用I／O接口和24路外部中斷源,、NAND Flash接口,、SDRAM接口,、SD卡接口、100M以太網(wǎng)接口,、USB接口,、觸摸屏接口、CMOS圖像傳感器接口,、SPI接口,、I2C 接口、I2S接口,、PWM功能,、內嵌的LCD控制器、8通道的10位ADC,、電源管理等,。
1.3 WinCE 4.2操作系統(tǒng)
WinCE是微軟推出的嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)。它延伸了臺式機Windows操作系統(tǒng)的外部特征,，在內部用嵌入式實時操作系統(tǒng)的技術來實現(xiàn) Win32 API的子集,，以簡潔、高效的完全搶占式多任務為核心,，支持強大的通信和圖形顯示功能,；而且它的平臺定制工具PlatformBuilder和應用軟件開發(fā)工具Embedded Visual C++都是非常強大實用的開發(fā)工具，為嵌人式便攜式儀表的軟件開發(fā)提供了一個標準的平臺,。
1.4 方案設計
尋北儀的系統(tǒng)框圖如圖1所示,。以S3C2440A為控制核心，通過I2C總線和地磁傳感器MMC212xMG通信,。在WinCE 4.2嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境下,，開發(fā)數(shù)據(jù)分析處理和顯示程序。
2 硬件設計
MMC212xMG的工作電源范圍較寬,，其中模擬電路工作電源VDA的范圍為2.7～5.25 V,，數(shù)字電路工作電源VDD的范圍為1.62～5.25 V。S3C2440A的工作電源為3.3 V,，為了保證I2C總線的可靠通信,，系統(tǒng)統(tǒng)一采用+3.3 V供電；同時,，將+3.3 V分為模擬電源和數(shù)字電源,，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
MMC212xMG的引腳功能如表1所列,。引腳1和8為工廠測試引腳,，使用時可以不連接。引腳2連接10μF電容，引腳4和5之間連接1μF電容,，實現(xiàn)芯片的設置／復位功能,。引腳3和7分別為芯片的模擬電源和數(shù)字電源。引腳6為芯片的地線引腳,。引腳9和10為I2C通信的時鐘引腳和數(shù)據(jù)引腳,，上拉到數(shù)字電源。
MMC212xMG的工作電路如圖2所示,，I2C總線引腳9和10連接至S3C2440A,。在I2C通信過程中，S3C2440A為主器件,，MMC212xMG為從器件,，主器件通過從器件地址尋址和特定的從器件通信，進行讀寫操作,。
3 軟件設計
在嵌入式操作系統(tǒng)WinCE 4.2環(huán)境下,，采用EVC開發(fā)地磁測量信息采集、處理和顯示程序,，主要包括基于I2C總線的測量數(shù)據(jù)讀取,、地磁測量信號的數(shù)據(jù)處理和虛擬儀表界面設計。
3.1 基于I2C總線的測量數(shù)據(jù)讀取
為了便于在I2C總線通信中連接多個地磁傳感器,，MMC212xMG有4種不同的器件地址(工廠定義),，分別為60H、64H,、68H和6CH,。本系統(tǒng)中所用到的器件地址為60H。MMC212xMG的內部寄存器有5個字節(jié),，第1個字節(jié)為器件控制命令寄存器,，可以對其設定命令值來啟動相應的動作。各命令控制字定義如表2所列,。
內部寄存器的第2和3個字節(jié)為X軸磁場測量值,，第4和5個字節(jié)為Y軸磁場測量值。啟動MMC212xMG進行測量的命令流程如圖3所示,。
在啟動測量命令完成后,，延時10 ms，讀取測量數(shù)據(jù),。其流程如圖4所示,。
3.2 地磁測量信號的數(shù)據(jù)處理
為了消除顯示上的抖動，可以采用均值濾波,，即采集5次地磁測量信號,，求出方位角后,，取平均值送顯示。
為了提高指向的精度,，可采取非線性校準技術。以45°為間隔,，讓地磁傳感器模塊分別指向正北,、東北、正東,、東南,、正南、西南,、正西和西北8個方向,，對這8個方向的地磁方位角測量多次取平均值后，存儲作為校準表,。在實際測量過程中,，獲得測量數(shù)據(jù)后，利用校準值對其進行線性插值,，求取方位角,。
3.3虛擬儀表界面設計
尋北儀的顯示界面模擬機械式指南針進行設計，以達到顯示直觀的效果,。EVC提供了豐富的界面繪圖API函數(shù),，可以輕易實現(xiàn)虛擬儀表界面的設計。軟件平臺在運行過程中,，采用多線程技術實時讀取地磁傳感器的測量信息,，經過數(shù)據(jù)處理后送虛擬儀表界面顯示。
4 系統(tǒng)演示
尋北儀實物圖如圖5所示,。系統(tǒng)由兩部分組成：由S3C2440A構成的嵌入式系統(tǒng)模塊和由MMC212xMG構成的地磁傳感器模塊,。圖5(a)為地磁傳感器模塊指向北的效果圖，圖5(b)為指向任意方位的效果圖,。
在實際使用過程中,，可以將嵌入式系統(tǒng)模塊和地磁傳感器模塊安裝成為一個整體，構成便攜式尋北儀,；也可以分開安裝,，嵌入式系統(tǒng)模塊同時獲取其他傳感器 (如加速度傳感器、GPS傳感器等)的信息,，構成組合導航系統(tǒng),。
結 語
本文采用嵌入式微處理器S3C2440A和MEMS地磁傳感器MMC212xMG設計了一款數(shù)字尋北儀。該系統(tǒng)與機械式指南針相比,，具有人機界面友好,、不受慣性影響,、數(shù)據(jù)可存儲等優(yōu)點。經過長時間運行測試,，尋北儀工作穩(wěn)定,，可以滿足高精度尋北要求。
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