《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 嵌入式技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 數(shù)字式電子羅盤(pán)
數(shù)字式電子羅盤(pán)
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
張秀再1,2,張一波1,,杜 蒙1,,范江棋1
1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,江蘇 南京210044; 2.南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心,江蘇 南京210044
摘要: 以MSP430F149單片機(jī)作為主控芯片,設(shè)計(jì)了一種數(shù)字式電子羅盤(pán),。該系統(tǒng)以LSM303DLHC為地磁測(cè)量部件,由GPS定位模塊確定測(cè)量地點(diǎn)并通過(guò)查表得到當(dāng)?shù)氐拇牌?,通過(guò)計(jì)算數(shù)學(xué)模型得到真北方向角,,并從LCD12864液晶屏上實(shí)時(shí)顯示出方向角,。
中圖分類號(hào): TP274
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
文章編號(hào): 0258-7998(2014)10-0134-04
The digital electronic compass
Zhang Xiuzai1,2,,Zhang Yingbo1,,Du Meng1,F(xiàn)an Jiangqi1
1.School of Electronic & Information Engineering,,Nanjing University of Information Science & Technology,,Nanjing 210044,China,;2.Jiangsu Technology & Engineering Center of Meteorological Sensor Network,,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,,China
Abstract: MSP430F149 MCU is used as the main control chip,,a kind of digital electronic compass is designed. The digital electronic compass takes LSM303DLHC as core components. Measurement location is confirmed by GPS,magnetic declination is gotten by lookup. The true north bearing is gotten by calculating mathematical model and displayed on the LCD12864 in real time. The lithium battery is as a power source, and it is also equipped with solar charging equipment. The digital electronic compass is not affected by terrain and climate. With stable structure,,it solves the problem of the big precision difference. Digital electronic compass has good stability and convenient operation, thus it can be widely used.
Key words : electronic compass,;LSM303DLHC;GPS,;solar powered

0 引言

    數(shù)字式電子羅盤(pán)是利用地磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)指向功能的系統(tǒng),。電子羅盤(pán)與傳統(tǒng)的自主慣性導(dǎo)航設(shè)備相比,具有體積小,、成本低,、無(wú)累計(jì)誤差、能夠高精度指示真北方向等特點(diǎn),。電子羅盤(pán)與常規(guī)的指針型羅盤(pán)相比,,具有一些突出的優(yōu)點(diǎn),如抗沖擊性,、抗震性,,并且能夠?qū)﹄s散磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償,輸出電信號(hào),,可與其他電子設(shè)備集成,。系統(tǒng)所采用的磁電阻傳感器由坡莫合金制成,這種坡莫合金薄膜的電阻值隨外界磁場(chǎng)的變化而變化,,傳感器具有明顯的靈敏軸,可作為集成電路生產(chǎn),,其體積小,響應(yīng)時(shí)間快[1]。因此,,采用磁電阻傳感器的電子羅盤(pán)是磁電子羅盤(pán)的發(fā)展方向。

    本文采用意法半導(dǎo)體(ST)公司的 MEMS 數(shù)字集成芯片LSM303DLHC作為測(cè)量器件,、(ulbox) NEO-6M GPS模塊為定位器件,、MSP430F149為主控芯片,,集成了太陽(yáng)能供電方式,實(shí)現(xiàn)了一種高精度,、節(jié)能的數(shù)字式電子羅盤(pán),。

1 方向角計(jì)算模型

    現(xiàn)實(shí)中,數(shù)字式電子羅盤(pán)并非始終處于水平面上,,因此需要用LSM303DLHC中的三軸加速度傳感器測(cè)俯仰角和翻滾角,,通過(guò)坐標(biāo)變換將磁傳感器測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度分量折算到水平方向,再計(jì)算方向角,。

    俯仰角和翻滾角的計(jì)算方法為[2]:加速度傳感器的三軸測(cè)量輸出值為重力加速度在載體坐標(biāo)系下的三軸分量,。當(dāng)羅盤(pán)水平放置、載體坐標(biāo)系的初始姿態(tài)與參考坐標(biāo)系重合時(shí),,其三軸的測(cè)量輸出值為(測(cè)量值經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)歸一處理化):

jsj5-gs1-6.gif

    地磁場(chǎng)矢量H可分解為水平分量Hh和垂直分量Hv,,Hh總是指向地磁北極。系統(tǒng)的三軸磁強(qiáng)傳感器的測(cè)量輸出為地磁場(chǎng)矢量在3個(gè)測(cè)量軸上的分量,。當(dāng)羅盤(pán)水平放置時(shí),,三軸磁強(qiáng)傳感器的X軸測(cè)量輸出Hx、Y軸的測(cè)量輸出Hy為地磁場(chǎng)水平分量Hh在兩軸上的分解,。則水平面時(shí)方向角Ψ為:

jsj5-gs7-12.gif

2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,,以MSP430F149為主控模塊,由連接太陽(yáng)能板的鋰蓄電池為電源模塊,,以數(shù)字集成芯片LSM303DLHC為電子指南針模塊,,以LCD12864液晶屏為顯示模塊,以NEO-6M GPS為定位模塊,。

jsj5-t1.gif

3 測(cè)量結(jié)構(gòu)裝置

    系統(tǒng)測(cè)量裝置如圖2所示,,裝置固定在裝置臺(tái)上,太陽(yáng)能模塊通過(guò)系統(tǒng)支架固定在裝置臺(tái)上,,光伏板通過(guò)接收陽(yáng)光給鋰蓄電池充電,,MSP430單片機(jī)接收電子指南針模塊的數(shù)據(jù)和定位模塊的數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)計(jì)算后在LCD12864液晶屏上顯示,。

jsj5-t2.gif

4 硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)主控芯片

    MSP430是德州儀器公司的具有16位總線,、帶Flash的單片機(jī),其集成度高,,可以在超低功耗模式下工作,可靠性好,加強(qiáng)電干擾運(yùn)行不受影響,,適應(yīng)工業(yè)級(jí)的運(yùn)行環(huán)境。其采用16位的總線,外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址,尋址范圍可達(dá)64 KB,,還可以外擴(kuò)展存儲(chǔ)器,。此外,具有統(tǒng)一的中斷管理和豐富的片上外圍模塊[3],。

4.2 電子指南針模塊

    電子指南針模塊采用了意法半導(dǎo)體(ST)公司的 MEMS 數(shù)字集成芯片LSM303DLHC,,該模塊內(nèi)集成了三軸加速度傳感器和三軸磁感應(yīng)傳感器,,LSM303DLHC芯片線性加速度的測(cè)量范圍為 ±2 g~±16 g,磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量范圍從±3.1~±8 Gs,,LSM303DLHC芯片上的磁感應(yīng)元件采用基于霍尼韋爾的各向異性磁阻技術(shù),,使得芯片在計(jì)算精度和功耗上具有很高的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)電子指南針模塊放置的位置發(fā)生變化時(shí),,因?yàn)榈卮艌?chǎng)的相對(duì)改變,,使傳感器阻值發(fā)生變化,引起電流的變化,。電子指南針模塊的信號(hào)輸出端SCL,、SDA與單片機(jī)P6.1、P6.2端口相連,,信號(hào)由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到此時(shí)的角度,,并顯示到LCD12864液晶屏上。電子指南針模塊原理圖如圖3所示,。

jsj5-t3.gif

4.3 顯示模塊

    顯示模塊采用12864液晶屏,,該液晶屏功能齊全,操作簡(jiǎn)單,,價(jià)格低廉,。12864的液晶對(duì)比度調(diào)節(jié)可以通過(guò)電位器來(lái)調(diào)節(jié),PSB是液晶數(shù)據(jù)傳輸模式選擇位,,如果PSB接高電平則液晶工作在并行數(shù)據(jù)傳輸模式,,如果PSB接低電平則液晶工作在串行數(shù)據(jù)模式。17腳是液晶的復(fù)位端,,此端口直接與液晶供電(LCD)相連,,上電后液晶模塊自動(dòng)完成復(fù)位功能。12864液晶屏原理圖如圖4所示,。

jsj5-t4.gif

4.4 電源模塊

    太陽(yáng)能板可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成為電能,,有陽(yáng)光時(shí),太陽(yáng)能板將轉(zhuǎn)換的電能一部分送給主控系統(tǒng)供電,,另一部分存儲(chǔ)在鋰蓄電池中,,保證了系統(tǒng)全天候地工作[4]。電源模塊供電示意圖如圖5所示,。

jsj5-t5.gif

4.5 定位模塊

    ATK-NEO-6M GPS是一款高性能GPS定位模塊,。該模塊采用U-BLOXNEO-6M模組,自帶高性能無(wú)源陶瓷天線和可充電后備電池,。GPS TXD作為模塊串口發(fā)送腳與單片機(jī)的P3.6相連,,用于GPS發(fā)送數(shù)據(jù);GPS RXD模塊串口接收腳與單片機(jī)的P3.7相連,用于GPS接收數(shù)據(jù),。

    RT9193-33是專為便攜式設(shè)備的射頻和無(wú)線應(yīng)用要求而設(shè)計(jì)的,,具有高精度,、低噪音,、高速度等特點(diǎn),兼容低ESR電容,,采用CMOS工藝生產(chǎn)的低壓差LDO電壓調(diào)整器,,其內(nèi)部包括參考電壓源電路、誤差放大器電路,、過(guò)流保護(hù)電路和相位補(bǔ)償電路,。

    定位模塊通過(guò)串口與外部系統(tǒng)連接,串口波特率支持4 800 b/s,、9 600 b/s,、38 400 b/s(默認(rèn))、57 600 b/s等不同速率,,兼容5 V/3.3 V單片機(jī)系統(tǒng),。ATK-NEO-6M GPS模塊電路圖如圖6所示。

jsj5-t6.gif

5 電子指南針模塊數(shù)據(jù)校正

    由于系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到各種磁場(chǎng)的干擾,,所以要對(duì)磁場(chǎng)傳感器測(cè)量輸出進(jìn)行誤差補(bǔ)償,。設(shè)羅盤(pán)在水平放置時(shí)的磁強(qiáng)傳感器 x、y軸的實(shí)際輸出為(Hbx,、Hby),,理想狀態(tài)下磁場(chǎng)水平向量在電子羅盤(pán)載體坐標(biāo)系x、y方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度為(Hx,、Hy),,則可建立誤差補(bǔ)償模型[2]

    jsj5-gs13.gif

    對(duì)角矩陣使圓變成橢圓,Kx,、Ky分別表示橢圓長(zhǎng)短半軸的變化程度,;B、By表示橢圓圓心偏離原點(diǎn)的偏移量,。誤差補(bǔ)償系數(shù)的求解采用最小二乘橢圓擬合[5],,根據(jù)實(shí)際測(cè)量輸出擬合求解橢圓方程的參數(shù),并進(jìn)一步解得誤差補(bǔ)償系數(shù),,平面任意位置橢圓方程式表示為:

    jsj5-gs14.gif

    在磁場(chǎng)干擾影響下,,水平面內(nèi)x、y方向的輸出曲線為橢圓曲線,,利用電子羅盤(pán)在x,、y方向的M(M≥5)個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量輸出數(shù)據(jù)(Hxi、Hyi)(i=1,2,,3…M)擬合橢圓方程,。根據(jù)所有測(cè)量點(diǎn)到理想橢圓的距離的平方和最小準(zhǔn)則來(lái)確定橢圓方程系數(shù)Ki(i=1,2,,3,,4,5)[6]以及確定橢圓的離心角η,,由橢圓方程系數(shù)得到誤差補(bǔ)償系數(shù):

    jsj5-gs15-16.gif

    通過(guò)K1,,K2…K5以及Kx和Ky的確定,利用式(12)~(16)可得出誤差補(bǔ)償后的輸出Hbx,、Hby,,從而計(jì)算出方向角。

6 軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)運(yùn)用MSP430F149單片機(jī)[3,,7]作為核心控制部分,,通過(guò)系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)具體功能,程序流程圖如圖7所示,。程序首先初始化MSP430F149單片機(jī),,然后進(jìn)行方位角的實(shí)時(shí)采集與顯示。

jsj5-t7.gif

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    系統(tǒng)經(jīng)過(guò)軟硬件的調(diào)試及實(shí)驗(yàn),,采用某型號(hào)手機(jī)上的電子羅盤(pán)顯示值作為參考方位角與該系統(tǒng)測(cè)試的方位角進(jìn)行對(duì)比,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

8 結(jié)論

    該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了方位角的實(shí)時(shí)測(cè)量與顯示,,能夠比較準(zhǔn)確地測(cè)量所在位置的方位角,,顯示出角度值。該系統(tǒng)輕巧便攜,,適合于船舶導(dǎo)航,、野外科研考察等。數(shù)字式電子羅盤(pán)的應(yīng)用可以節(jié)省一定的人力及財(cái)力資源,,提高測(cè)量的準(zhǔn)確度,。系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保,性能穩(wěn)定,,具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值,。

參考文獻(xiàn)

[1] 李希勝,王家鑫,,湯程,,等.高精度磁電子羅盤(pán)的研制[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2006,,19(6):2441-2444.

[2] 高宗余,,李德勝.多MEMS傳感器姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的研究[J].電光與控制,2010,17(3):68-70.

[3] 冒曉莉,,楊博,,楊靜秋,等.基于MSP430單片機(jī)的節(jié)能型數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2013,,39(5):138-140.

[4] 何道清,何濤.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,,2012.

[5] 劉詩(shī)斌,,馮曉毅,,李宏.基于橢圓假設(shè)的電子羅盤(pán)誤差補(bǔ)償方法[J].傳感器技術(shù),,2002,21(10):28-30.

[6] 秦勇,,趙杰,,王曉宇,等.基于橢圓擬合誤差補(bǔ)償算法的數(shù)字磁羅盤(pán)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),,2009,,39(2):489-493.

[7] 張秀再,范江棋,,杜蒙,,等.高壓電力線積雪厚度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2014,,40(3):130-136.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。