畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）電子指南針設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 電子指南針設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)學(xué) 生：學(xué) 號(hào)： 05021037136專(zhuān) 業(yè)： 通信工程班 級(jí)： 2005. 1指導(dǎo)教師： 四川理工學(xué)院電信系二oo九年六月摘 要早期的指南針采用了磁化指針和方位盤(pán)的組合方式，整個(gè)指南針從精度、指示靈敏度、使用壽命上都有一定不足。本系統(tǒng)采用專(zhuān)用的磁場(chǎng)傳感器結(jié)合高速微控制器（mcu）的電子指南針能有效解決這些問(wèn)題。系統(tǒng)采用了磁阻（gmr）傳感器采集某一方向磁場(chǎng)強(qiáng)度后通過(guò)mcu控制器對(duì)其進(jìn)行處理并顯示上傳，通過(guò)對(duì)電子指南針硬件電路和軟件程序的分析，闡述了電子指南針基本的工作原理及實(shí)現(xiàn)。能夠在lcd上根據(jù)當(dāng)前位置顯示方位。兩段重復(fù)的去掉，合成一段關(guān)

2、鍵詞：電子指南針；gmr；mcu；lcdabstractsince the early use of a magnetic compass and direction-pointer of the composition, the entire compass from scratch, on the instructions of a certain sensitivity of the defect. using a dedicated high-speed magnetic sensors with microcontroller (mcu) electronic compass can

3、 effectively solve these problems. the system is designed by the reluctance (gmr) sensors collecting a certain direction through the magnetic field strength after the mcu controller its judgement will be dealt with the results, through the lcd screen display and can be sent to the mcus top serial ma

4、chine. in the lcd display on the current position of the keyboard and through selective compass upload the data processing. key words: electronic compass; gmr; mcu; lcd摘要iabstract.ii第1章 引言.21.1 課題背景.21.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.21.3 本課題研究的意義及其特點(diǎn).2第2章 系統(tǒng)工作原理分析.32.1 系統(tǒng)的工作原理.32.2磁場(chǎng)信號(hào)采集和處理.32.2.1 磁阻傳感器.32.2.2 磁場(chǎng)測(cè)量asic.

5、42.3系統(tǒng)電路圖 52.4系統(tǒng)原理框圖 6第3章 系統(tǒng)硬件.73.1系統(tǒng)控制器73.1.1 控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu).73.1.2 控制器存儲(chǔ)結(jié)構(gòu).73.1.3 控制器具體電路.83.2 系統(tǒng)擴(kuò)展電路.93.2.1通信電路93.2.2 指南針模塊接口電路.103.2.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路.113.2.4 液晶顯示電路.123.2.5系統(tǒng)輸入電路.13第4章 系統(tǒng)軟件.154.1 主監(jiān)控程序.154.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng).164.3 人機(jī)界面驅(qū)動(dòng).174.3.1 液晶模塊驅(qū)動(dòng).174.3.2 鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng).184.4 指南針模塊驅(qū)動(dòng)18第5章 結(jié)論.21第6章 致謝.21第7章 參考文獻(xiàn)22附 錄i .23ii .

6、26第1章 引 言1.1 課題背景隨著指南在生活生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，如今已由傳統(tǒng)的指南針發(fā)展到便攜式的指南針。但其基本構(gòu)造是沒(méi)有改變的，都是屬于機(jī)械的指針式。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是在磁傳感器和專(zhuān)用集成電路（asic）的發(fā)展給各種電子設(shè)備的微形化提供了便利的條件。由于地磁場(chǎng)非常的微弱，測(cè)量地磁場(chǎng)的強(qiáng)度一般不采用傳統(tǒng)的電感線圈，近年來(lái)由于巨磁阻（gmr）的發(fā)現(xiàn)使得測(cè)量地磁場(chǎng)強(qiáng)度變得非常的方便。正是由于asic芯片的發(fā)展和巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使得使用電子設(shè)備對(duì)地磁場(chǎng)的測(cè)量成為可能。這就是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的電子式指南針5。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀當(dāng)前國(guó)內(nèi)大部分指南針普遍采用都是傳統(tǒng)式便攜式的設(shè)

7、計(jì)。但其基本構(gòu)造是沒(méi)有改變的，都是屬于機(jī)械的指針式，其指示的機(jī)械結(jié)構(gòu)基本上沒(méi)有改變，都是利用某種支撐使得磁針能夠受到地磁場(chǎng)的影響而自由的旋轉(zhuǎn)。由于機(jī)械的先天因素導(dǎo)致了指針式指南針在靈敏度、精度以及使用壽命上都有一定的限制。而國(guó)外設(shè)計(jì)的電子指南針，雖然技術(shù)先進(jìn)，避開(kāi)了傳統(tǒng)指南針的缺點(diǎn)，但是其生產(chǎn)成本高，價(jià)格昂貴，不便于大批量生產(chǎn)。基于現(xiàn)如今電子技術(shù)的飛速發(fā)展，采用電子技術(shù)使指南針的基本實(shí)現(xiàn)機(jī)理有了質(zhì)的改變，采用了磁場(chǎng)傳感器和專(zhuān)用處理器對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量和處理后指示方向。這種電子式指南針具有價(jià)格低、方便攜帶、靈敏度、精確度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。1.3 本課題研究的意義及其特點(diǎn)本課題針對(duì)電子指南針的各個(gè)功能

8、部件對(duì)電子指南針的關(guān)鍵部分做了詳細(xì)的研究。電子指南針系統(tǒng)是一個(gè)典型的單片機(jī)系統(tǒng)，了解其工作原理及其信號(hào)處理流程有利于研究更加復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，特別是系統(tǒng)中來(lái)自國(guó)外的磁傳感器及其信號(hào)的采集芯片更是有利于研究磁場(chǎng)傳感器的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，以便將其更加廣泛的應(yīng)用。由于地磁場(chǎng)非常的微弱，測(cè)量地磁場(chǎng)的強(qiáng)度一般不采用傳統(tǒng)的電感線圈，近年來(lái)由于巨磁阻（gmr）的發(fā)現(xiàn)使得測(cè)量地磁場(chǎng)強(qiáng)度變得非常的方便。正是由于asic芯片的發(fā)展和巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使得使用電子設(shè)備對(duì)地磁場(chǎng)的測(cè)量成為可能。本次設(shè)計(jì)任務(wù)的電子式指南針就是基于這兩種技術(shù)的發(fā)展，與傳統(tǒng)的磁針式指南針相比較，電子式指南針具有方便攜帶，靈敏度、精度高和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

9、第2章 系統(tǒng)工作原理分析2.1 系統(tǒng)的工作原理電子指南針系統(tǒng)是一個(gè)典型的單片機(jī)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)中前端的磁阻傳感器+asic負(fù)責(zé)測(cè)量地磁場(chǎng)的大小并將磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)化為微弱的電流的變化，專(zhuān)用的磁場(chǎng)測(cè)量芯片負(fù)責(zé)把磁阻傳感器變化的電流（模擬量）轉(zhuǎn)換成微控制器可以識(shí)別的數(shù)字量，然后通過(guò)芯片內(nèi)部的spi（同步外設(shè)接口）總線上傳給微控制器mcu。微控制器將表征當(dāng)前磁場(chǎng)大小的數(shù)字量按照方位進(jìn)行歸一化等處理后通過(guò)直觀的lcd進(jìn)行方位顯示，同時(shí)可以通過(guò)鍵盤(pán)控制微控制器進(jìn)行相應(yīng)的操作，如將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)串口的形式發(fā)送到上位機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)中還包含了實(shí)時(shí)時(shí)鐘等一些輔助電路，使整個(gè)系統(tǒng)功能得到進(jìn)一步的擴(kuò)展。2.2磁場(chǎng)信號(hào)采集

10、和處理2.2.1 磁阻傳感器整個(gè)磁阻傳感器是系統(tǒng)中最前端的信號(hào)測(cè)量器件，傳統(tǒng)的磁場(chǎng)測(cè)量都是采用了電感線圈的形式，在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，由于需要測(cè)量的是非常微弱的地磁場(chǎng)，地球表面赤道上的磁場(chǎng)強(qiáng)度在0.290.40高斯之間，兩極處的強(qiáng)度略大，地磁北極約0.61高斯，南極約0.68高斯。傳統(tǒng)的普通電感線圈的形式在如此微弱的磁場(chǎng)環(huán)境下感應(yīng)產(chǎn)生的電流是非常微弱的，不便于a/d采樣，增加了測(cè)量的難度?；谄胀姼芯€圈測(cè)量的不足，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用了磁阻傳感器來(lái)測(cè)量地址磁場(chǎng)的強(qiáng)度。分析原理不選器件！磁阻傳感器是根據(jù)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的原理，當(dāng)在鐵磁合金薄帶的長(zhǎng)度方向施加一個(gè)電流時(shí)，如果在垂直于電流的方向再施加磁場(chǎng),鐵磁性

11、材料中就有磁阻的非均質(zhì)現(xiàn)象出現(xiàn)，從而引起合金帶自身的阻值變化。如圖2.2.1所示。圖 2.2.1 磁阻傳感器原理及其外形由圖中我們可以看出當(dāng)磁場(chǎng)變化時(shí)鐵磁合金的電阻會(huì)跟著變化，如果此時(shí)的電流不變，那么鐵磁合金兩端的電壓將發(fā)生變化，這樣使用adc就可以很方便的測(cè)量出當(dāng)前對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)大小。該傳感器體積非常小，測(cè)量精度高，最小分辨率可達(dá)0.00015高斯，測(cè)量地磁場(chǎng)已經(jīng)足夠。2.2.2 磁場(chǎng)測(cè)量asic通過(guò)磁阻效應(yīng)可以把磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)變化的電流，通過(guò)a/d轉(zhuǎn)換就可以得到對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。adc這部分主要有專(zhuān)用的磁場(chǎng)測(cè)量芯片來(lái)完成?；谀芎摹r(jià)格和精度的綜合考慮后，本次設(shè)計(jì)中使用了著名pni公司的pn

12、i11096磁場(chǎng)測(cè)量asic，該芯片相對(duì)于其他芯片，具有能耗低，價(jià)格適中，技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)。該芯片能夠同時(shí)對(duì)3軸磁場(chǎng)強(qiáng)度（既x,y,z軸）進(jìn)行測(cè)量。這樣可以使用z軸來(lái)進(jìn)行傾角校正，提高測(cè)量精度。在整個(gè)pni11096信號(hào)處理電路中包含了3個(gè)主要的部分： 你這部分在分析原理啊，選什么器件！ 前端信號(hào)處理：由于地磁場(chǎng)非常的微弱，使用sen-r65傳感器轉(zhuǎn)換后其信號(hào)也是非常的微弱。那么需要在信號(hào)采集前端加入信號(hào)放大和濾波整形電路，這樣使得a/d能夠準(zhǔn)確測(cè)量當(dāng)前磁場(chǎng)大小，如2.2.2所示。圖 2.2.2 磁阻傳感器的驅(qū)動(dòng) a/d轉(zhuǎn)換電路：這部分主要完成對(duì)sen-r65磁阻傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)

13、換。 數(shù)據(jù)接口電路：這部分組要完成對(duì)a/d轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式封裝，并在上位mcu的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖 2.2.3 前端信號(hào)采集該部分主要完成對(duì)地磁場(chǎng)的測(cè)量、a/d轉(zhuǎn)換以及對(duì)數(shù)據(jù)的封包。整個(gè)前端的信號(hào)處理流程如圖2.2.3所示。2.3系統(tǒng)電路圖 先有框圖再得電路圖！該芯片內(nèi)部集成了3軸傳感器驅(qū)動(dòng)電路，可以測(cè)量x，y，z三軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度，z軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以用來(lái)校正水平面，使得x，y軸的測(cè)量更為的精確。電子指南針模組由pni公司高可靠性的磁性傳感器及驅(qū)動(dòng)芯片組成，集成度非常高，實(shí)現(xiàn)了高可靠性、高精度、強(qiáng)抗磁場(chǎng)干擾的數(shù)碼電子指南針功能。電子指南針模組有三個(gè)磁性傳感器sen-s65 和一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯

14、片pni-11096構(gòu)成。磁性傳感器sen-s65 里面包含一個(gè)lr振蕩電路，當(dāng)磁性傳感器sen-s65 與地球磁感線平行方向夾角發(fā)生變化時(shí)，lr振蕩電路的磁感應(yīng)系數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。驅(qū)動(dòng)芯片pni-11096通過(guò)磁性傳感器sen-s65 磁感應(yīng)系數(shù)的變化可以計(jì)算出磁性傳感器與地球磁感線之間的夾角，驅(qū)動(dòng)芯片pni-11096 最多可以連接三個(gè)磁性傳感器sen-s65，這三個(gè)磁性傳感器sen-s65 方向互為垂直，這樣就可以測(cè)量在三維方向上與地球磁感線的夾角，從而得到當(dāng)前的三維方向。整個(gè)pni11096和傳感器的連接電路如圖2.3.1所示。圖2.3.1 pni11069傳感器連接圖pni11096

15、驅(qū)動(dòng)芯片 與stc89c58+tqfp 單片機(jī) 為什么要選這器件芯片？說(shuō)明原因及其性能，與同類(lèi)產(chǎn)品比較！經(jīng)由同步串行接口相連，同步串行接口由六個(gè)信號(hào)線組成：clk,mosi, miso, ssnot, port和 drdy。stc89c58+tqfp 單片機(jī)輸送同步脈沖，以使得pni11096stc89c58+tqfp在 mosi 和 miso 線上傳送數(shù)據(jù)時(shí)保持同步。miso與stc89c58+tqfp單片機(jī)相連，pni11096 經(jīng)由此線向stc89c58+tqfp單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)。mosi與stc89c58+tqfp單片機(jī)相連，pni11096 經(jīng)由此線從stc89c58+tqfp單片機(jī)接

16、收數(shù)據(jù)。ssnot 為 pni11096 當(dāng)作從器件模式的選通信號(hào)輸入端，它與stc89c58+tqfp單片機(jī)相連，傳送數(shù)據(jù)之前該管教必須被設(shè)置為低電平，并且在整個(gè)數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中維持為低電平。drdy 為 pni11096狀態(tài)標(biāo)志端：當(dāng) pni11096被復(fù)位后 drdy為低；當(dāng) pni11096 完成測(cè)量并且要傳送到stc89c58+tqfp單片機(jī)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí) drdy 為高。pni11096 與stc89c58+tqfp之間遵循摩托羅拉 spi 協(xié)議進(jìn)行通訊。整個(gè)指南針模塊的電路如圖2.3.2所示。2.4 系統(tǒng)原理框圖圖 2.4 系統(tǒng)框圖電子指南針的系統(tǒng)主要由前端磁阻傳感器、磁場(chǎng)測(cè)量專(zhuān)用

17、轉(zhuǎn)換芯片、單片控制器、輔助擴(kuò)展電路、人機(jī)界面以及系統(tǒng)電源幾個(gè)部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。第3章 系統(tǒng)硬件3.1系統(tǒng)控制器3.1.1 控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)本次設(shè)計(jì)中采用了高速51內(nèi)核mcu，具體型號(hào)為ds89c450，高速8051架構(gòu)，每個(gè)機(jī)器周期一個(gè)時(shí)鐘，最高頻率33mhz，單周期指令30ns，雙數(shù)據(jù)指針，支持四種頁(yè)面存儲(chǔ)器訪問(wèn)模式。片內(nèi)64kb閃存，在應(yīng)用編程，可通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程，movx可訪問(wèn)的1kb sram。與8051系列端口兼容，四路雙向，8位i/o端口，三個(gè)16位定時(shí)器，256字節(jié)暫存ram。支持電源管理模式，可編程的時(shí)鐘分頻器，自動(dòng)的硬件和軟件退出低功耗。外設(shè)特性：兩路全雙

18、工串口、可編程看門(mén)狗定時(shí)器、13個(gè)中斷源、五級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)、電源失效復(fù)位、電源失效早期預(yù)警中斷和可降低emi。3.1.2 控制器存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的51系列芯片內(nèi)部沒(méi)有或僅有非常小的程序存儲(chǔ)器，這就需要通過(guò)外部總線進(jìn)行存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，通常的外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展方法有線選法和譯碼法兩種。兩種方法都需要進(jìn)行較大量的數(shù)據(jù)線和地址線的擴(kuò)展，這樣使得系統(tǒng)電路復(fù)雜且使系統(tǒng)的性能下降。圖 3.1.2 系統(tǒng)存儲(chǔ)分配ds89c450內(nèi)部含有較大的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其片內(nèi)除了256字節(jié)ram區(qū)，還提供片內(nèi)1kb的sram和64kb的程序存儲(chǔ)器，sram存儲(chǔ)器可以用來(lái)保存系統(tǒng)中的常量，加速系統(tǒng)軟件的執(zhí)行效率，64kb的程序存可以

19、滿足一般工程對(duì)程序存儲(chǔ)器的需求，這樣就有足夠大的存儲(chǔ)區(qū)域來(lái)存放代碼和數(shù)據(jù)而不需要另外的擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)電路提高了系統(tǒng)的性能。基于ds89c450微控制器內(nèi)建的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖3.1.2所示。3.1.3 控制器具體電路整個(gè)系統(tǒng)的控制部分主要完成對(duì)指南針模塊數(shù)據(jù)的讀取和處理并將數(shù)據(jù)的處理結(jié)果通過(guò)控制人機(jī)界面顯示出來(lái)，同時(shí)監(jiān)控鍵盤(pán)的輸入以便完成系統(tǒng)功能設(shè)定等操作。整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)模塊對(duì)微控制器的端口占用比較少，指南針模塊的接口采用了spi總線的形式。lcm是系統(tǒng)中比較繁忙的器件之一，其接口采用了并口模式可以提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，保證了液晶顯示屏的及時(shí)刷新。ds89c450微控制器內(nèi)部自帶2個(gè)通用

20、串行口直接引出即可使用，由于系統(tǒng)需要和上位機(jī)（本系統(tǒng)中為pc機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，接口電平需要轉(zhuǎn)換使其滿足rs-232標(biāo)準(zhǔn)。圖 3.1.3 系統(tǒng)控制電路控制部分電路如圖 3.1.3所示，其中包含了微控制器、lcd接口電路、端口上拉電阻、系統(tǒng)時(shí)鐘電路和指南針模塊接口電路。整個(gè)微控制系統(tǒng)中采用了無(wú)源晶振的形式發(fā)生mcu所需要的時(shí)鐘信號(hào)。具體電路如圖3.1.4所示。時(shí)鐘電路中的兩個(gè)電容用作補(bǔ)償，使得晶振更容易起振，頻率更加穩(wěn)定。系統(tǒng)的復(fù)位采用了上電復(fù)的形式，上電過(guò)程中微控制器復(fù)位引腳保證10ms以上的高電平就能可靠的將微控制器復(fù)位。圖 3.1.4 系統(tǒng)時(shí)鐘和復(fù)位電路3.2 系統(tǒng)擴(kuò)展電路3.2.1通信電路

21、在本次設(shè)計(jì)任務(wù)中采用了串口作為系統(tǒng)與外界的通信接口，通信部分電路圖3.2.1所示。由于單片機(jī)的ttl電平和rs-232協(xié)議的電平不同，需要max232進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。圖 3.2.1 串口通信電路 圖 3.2.2 串口邏輯電路在本次設(shè)計(jì)中還充分利用了串口的dts信號(hào)作為單片機(jī)串口編程功能使能信號(hào)。整個(gè)通過(guò)串口dtr引腳控制在系統(tǒng)編程電路如圖3.2.2所示。由于ds89c450提供在系統(tǒng)編程，可以很方便的通過(guò)串口對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的flash進(jìn)行刷新。由于ds89c450進(jìn)入在系統(tǒng)編程需要幾個(gè)條件： 復(fù)位引腳電平為高； ea引腳為低電平； psen引腳為低電平。3.2.2 指南針模塊接口電路本次設(shè)計(jì)中采

22、用了fad_dcm_spi指南針模塊。該模塊采用的正是pni11096和sen-r65傳感器組合的設(shè)計(jì)方案。為了模塊化，所以該模塊把pni11096芯片的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后封裝成特定的數(shù)據(jù)報(bào)文格式通過(guò)spi總線形式對(duì)外提供。經(jīng)過(guò)模塊封裝的數(shù)據(jù)格式如下表。表 1 指南針模塊數(shù)據(jù)包格式bit10bit 3 bit 9bit 2bit 1ack數(shù)據(jù)ack地址角度數(shù)據(jù)范圍：十六進(jìn)制（0x000x167），轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制為（0359）。spi(serial peripheral interface-串行外設(shè)接口)總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使mcu與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。該接

23、口一般使用4條線：串行時(shí)鐘線（sck）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線miso、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線most和低電平有效的從機(jī)選擇線ss(有的spi接口芯片帶有中斷信號(hào)線int或int、有的spi接口芯片沒(méi)有主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線mosi)。由于spi系統(tǒng)總線一共只需34位數(shù)據(jù)線和控制即可實(shí)現(xiàn)與具有spi總線接口功能的各種i/o器件進(jìn)行接口，而擴(kuò)展并行總線則需要8根數(shù)據(jù)線、816位地址線、23位控制線，因此，采用spi總線接口可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，節(jié)省很多常規(guī)電路中的接口器件和i/o口線，提高設(shè)計(jì)的可靠性。圖 3.2.3 spi總線時(shí)序spi總線的時(shí)序如圖3.2.3所示。3.2.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路系

24、統(tǒng)采用了pcf8583實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘。pcf8583是一款基于靜態(tài)cmos ram的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，該芯片采用了i2c總線接口。整個(gè)pcf8583的操作都是基于其內(nèi)建的cmos ram，通過(guò)對(duì)其不同地址的ram的操作可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。其內(nèi)部的256字節(jié)的ram區(qū)域被分為了幾個(gè)功能區(qū)以完成不同的操作。由于本次使用的ds89c450內(nèi)部沒(méi)有i2c控制器，所以直接使用了芯片的i/o口模擬了i2c時(shí)序。整個(gè)時(shí)鐘部分電路如圖3.2.4所示。圖 3.2.4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路pcf8583采用了i2c總線的形式與外界傳輸數(shù)據(jù)。i2c(interintegrated circuit)總線是一種由p

25、hilips公司開(kāi)發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。其時(shí)序結(jié)構(gòu)如圖3.2.5所示。圖 3.2.5 i2c總線時(shí)序3.2.4 液晶顯示電路本次設(shè)計(jì)采用了160128點(diǎn)陣的單色液晶顯示屏（lcd）作為系統(tǒng)的顯示界面，具體的型號(hào)為pg160128，該lcm采用了t6963c控制芯片作為顯示控制核心。微控制器只需要對(duì)t6963c芯片進(jìn)行操作便可以完成對(duì)lcd屏的相關(guān)操作，使用非常方便。模塊內(nèi)部原理如圖3.2.6所示。圖 3.2.6 160*128 lcm原理圖 3.2.7 t6963讀寫(xiě)時(shí)序整個(gè)lcm中t6963c負(fù)責(zé)對(duì)lcd行列驅(qū)動(dòng)芯片t6a40和t6a39進(jìn)行控制。微控制器只需要按

26、照t6963給定的指令格式進(jìn)行相應(yīng)的操作即可。t6963提供10種控制命令，其數(shù)據(jù)和指令的讀寫(xiě)時(shí)序如圖3.2.7所示。3.2.5系統(tǒng)輸入電路圖 3.2.8 鍵盤(pán)電路系統(tǒng)采用了5鍵輸入以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的設(shè)定，如系統(tǒng)時(shí)間的調(diào)整和菜單的選擇。由于系統(tǒng)中的其他模塊對(duì)微控制器的端口占用較少還有很多沒(méi)有使用的端口，鍵盤(pán)連接上直接采用了每個(gè)按鍵占用一個(gè)端口的形式,如圖3.2.8所示，電路的中的幾個(gè)電阻屬于上拉電阻，保證在沒(méi)有輸入的情況下端口電平穩(wěn)定為高，同時(shí)也可以達(dá)到省電的目的。鍵盤(pán)的讀取采用掃描的形式，當(dāng)檢測(cè)到有按鍵按下時(shí)，消抖動(dòng)后進(jìn)行鍵值判斷。以上是系統(tǒng)各個(gè)硬件部分的闡述，以下是整個(gè)系統(tǒng)的總電路。系統(tǒng)總電

27、路中包含了系統(tǒng)主控制電路、指南針模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、通信電路及其邏輯控制電路，擴(kuò)展接口和相關(guān)輔助電路。在進(jìn)行系統(tǒng)pcb的器件方位布置和走線時(shí)，特別注意了通信電路和信號(hào)采集電路的隔離。lcm內(nèi)部的干擾比較大在進(jìn)行器件放置時(shí)，將容易受到干擾的器件排布到其他區(qū)域，并采取一定的隔離措施。系統(tǒng)的總體電路原理如圖3.2.9所示。采用protel99se設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制部分pcb圖和指南針模塊的pcb圖分別如圖3.2.10、圖3.2.11所示。圖 3.2.9 系統(tǒng)總體電路圖系統(tǒng)的pcb頂層圖如圖所示。圖 3.2.10 系統(tǒng)主電路板pcb頂層圖圖 3.2.11 指南針模塊pcb圖由于指南針模塊的磁阻傳感器對(duì)磁場(chǎng)非常

28、的敏感，在放置指南針模塊的時(shí)候要遠(yuǎn)離干擾磁場(chǎng)的磁體區(qū)域，指南針模塊成為單獨(dú)放置的模塊并通過(guò)接口的形式和主控板相連接。第4章 系統(tǒng)軟件4.1 主監(jiān)控程序圖 4.1.1 系統(tǒng)監(jiān)控程序流程圖整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中各個(gè)模塊間存在一定的先后順序且程序模塊數(shù)量較少，為了減少系統(tǒng)的程序量，設(shè)計(jì)過(guò)程中系統(tǒng)的監(jiān)控程序采用了傳統(tǒng)的前后臺(tái)方式。整個(gè)監(jiān)控程序主要由指南針模塊驅(qū)動(dòng)、液晶顯示驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)和串口驅(qū)動(dòng)組成。整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控程序流程如圖4.1.1所示。當(dāng)系統(tǒng)上電后，最先執(zhí)行的就是對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部件進(jìn)行初始化的代碼，其中主要包括對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、lcm驅(qū)動(dòng)、指南針模塊以及對(duì)系統(tǒng)通信串口的初始化。系統(tǒng)初始化完成時(shí)對(duì)

29、指南針模塊進(jìn)行讀取，此時(shí)指南針模塊將根據(jù)adjust端口的電平狀態(tài)判定是否需要校正指南針，其后將得到的數(shù)據(jù)上傳至微控制器，微控制器根據(jù)得到的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)lcm進(jìn)行相應(yīng)的顯示，隨后微控制器將對(duì)系統(tǒng)鍵盤(pán)端口進(jìn)行掃描，并根據(jù)掃描得到的鍵值進(jìn)行相應(yīng)的處理。前后臺(tái)式的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是其實(shí)時(shí)性較差。系統(tǒng)中由于各個(gè)程序之間相互關(guān)聯(lián)，且對(duì)實(shí)時(shí)性要求不是很高，前后臺(tái)能夠滿足其要求。void main(void)unsigned int angle;initscreen(); /* 初始化lcm */dismain(); /* 初始化系統(tǒng)部件 */while(1) angle = getdirction();

30、/* 獲得指南針?lè)轿?*/discurdirc(angle); /* 顯示系統(tǒng)角度 */discurtime(11, 15); /* 顯示系統(tǒng)時(shí)間 */ discurdate(); /* 顯示系統(tǒng)日期 */ rollscreen(); /* 顯示系統(tǒng)廣告 */scankey(); /* 掃描鍵盤(pán)并判定發(fā)送 */ 4.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。本次設(shè)計(jì)采用的pcf8583實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片采用的i2c接口，對(duì)它的所有操作直接通過(guò)對(duì)其內(nèi)部線性的cmos ram區(qū)進(jìn)行操作即可即對(duì)pcf8583的操作主要是通過(guò)i2c總線對(duì)其內(nèi)部ram進(jìn)行讀寫(xiě)。整個(gè)驅(qū)動(dòng)流程如圖4.2.2所示。圖

31、4.2.2 pcf8583驅(qū)動(dòng)流程void discurdate(unsigned char x, unsigned char y) unsigned char date2;unsigned char disbuf11;readpcf8583(0x05, 2, date); /* 獲取pcf8583的日期 */ disbuf4 = (date0 & 0x0f) + 0; /* 提取日個(gè)位 */disbuf3 = (date0 4) & 0x03) + 0; /* 十位 */disbuf2 = /;disbuf1 = (date1 & 0x0f) + 0;/* 提取月個(gè)位 */disbuf0 =

32、 (date1 4) & 0x01) + 0; /* 十位 */disbuf5 = /;disbuf6 = 2;disbuf7 = 0; disbuf8 = 0;disbuf9 = 8;disbuf10= 0; /* 在數(shù)組最后單元放入標(biāo)識(shí)符結(jié)束 */dispstr(y*20+x, disbuf);圖 4.2 pcf8583驅(qū)動(dòng)流程4.3 人機(jī)界面驅(qū)動(dòng)4.3.1 液晶模塊驅(qū)動(dòng)液晶顯示驅(qū)動(dòng)處于系統(tǒng)的最后端，屬于人機(jī)交互界面。直觀的液晶顯示能夠使得系統(tǒng)更容易操控。本次設(shè)計(jì)采用了pg160128點(diǎn)陣的lcm模塊。整個(gè)lcm驅(qū)動(dòng)的構(gòu)架圖如4.3.1所示。采用層次設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)可以很好的移植到不同的處理器。

33、圖 4.3.1 lcm驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)4.3.2 鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中將按鍵電路中按鍵、分別與單片機(jī)的p13、p14、p15、p16、p17引腳進(jìn)行連接，此按鍵是低電平有效，當(dāng)有鍵按下時(shí)，與按鍵相連接的單片機(jī)引腳檢測(cè)到這個(gè)信號(hào)，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理后再輸出。4.4 指南針模塊驅(qū)動(dòng)圖 4.4 指南針模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)處理流程本次設(shè)計(jì)采用的是fad_dcmp_spi指南針模塊。模塊采用spi接口與mcu進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。整個(gè)模塊驅(qū)動(dòng)包括了讀取pni11096數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、封裝數(shù)據(jù)和通過(guò)spi時(shí)序發(fā)送數(shù)據(jù)幾個(gè)部分。程序的流程如圖5.4所示。在整個(gè)指南針模塊程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中最主要的也就是其數(shù)據(jù)的處理，直接關(guān)系到系統(tǒng)的精度

34、。在還沒(méi)有處理之前從pni11096讀取的數(shù)據(jù)真實(shí)的反應(yīng)了水平面內(nèi)地磁場(chǎng)的分布情況，如圖4.5所示，這是均勻轉(zhuǎn)動(dòng)指南針模塊得到的地磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，圖中顯示地磁場(chǎng)強(qiáng)度在不同方向上的分布是不同的，經(jīng)過(guò)歸一化后，可以很好的將其歸一化為圓，使得在各個(gè)方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度均勻，這樣既可以方便進(jìn)行角度計(jì)算又可以提高測(cè)量精度，如圖4.6所示。圖 4.6 歸一化后磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖 4.5 未處理時(shí)真實(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度分布為了得到準(zhǔn)確的方向值必須對(duì)電子指南針模組返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，將橢圓調(diào)整為正圓形，這樣才能得到更準(zhǔn)確的角度值。這就需要電子指南針模組進(jìn)入校正模式得到四個(gè)校正參數(shù)，這四個(gè)校正參數(shù)分別是橢圓中心的坐標(biāo)（xoffse

35、t，yoffset）和橢圓兩個(gè)半軸的長(zhǎng)度 xrange，yrange。電子指南針模組校正模式執(zhí)行的操作為持續(xù)紀(jì)錄 x軸、y軸測(cè)量數(shù)據(jù)的最大值和最小值，因此在校正模式下要不停的旋轉(zhuǎn)電子指南針模組來(lái)得到盡可能精確的 x軸、y軸測(cè)量數(shù)據(jù)的最大值和最小值。得到 x軸、y軸測(cè)量數(shù)據(jù)的最大值和最小值后就可以求出四個(gè)校正參數(shù)了。每次開(kāi)機(jī)或每到一個(gè)新地方都應(yīng)該進(jìn)入校正模式，重新獲得校正參數(shù)。計(jì)算校正參數(shù)的參考代碼如下。int xmax,xmin,ymax,ymin; int xraw,yraw; int i; xmax = ymax = -32768; / 將最大值賦值為最小值 ymin = ymin = 3

36、2767; / 將最小值賦值為最大值 for(i = 0; i xmax) xmax = xraw; / 得到一個(gè)盡可能大的值作為 x最大值 if(xraw ymax) ymax = yraw; / 得到一個(gè)盡可能大的值作為 y最大值 if(yraw 1; / 得到 x軸偏移量 yoffset = (ymax + ymin)1; / 得到 y軸偏移量 xrange = xmax - xmin; / 得到 x軸取值范圍 yrange = ymax -ymin; / 得到 y軸取值范圍 return 0; 在正常的測(cè)量模式下，電子指南針模組 x軸、y軸測(cè)量數(shù)據(jù)都要利用在校正模式下得到的參數(shù)進(jìn)行校正

37、，校正方法如下。xvalue = f_pni_11096_read(0xe9); yvalue = f_pni_11096_read(0xea); xrevise = xvalue - xoffset; / 根據(jù)校正結(jié)果，校正 x軸 yrevise = yvalue - yoffset; / 根據(jù)校正結(jié)果，校正 x軸if(xrange yrange) yrevise = (yrevise*xrange)/yrange; else xrevise = (xrevise*yrange)/xrange;指南針模塊在第一次使用前都必須校正，系統(tǒng)上電時(shí)將模塊的adjust引腳拉低即可進(jìn)入校正狀態(tài)，將模塊

38、在水平面內(nèi)均勻的轉(zhuǎn)動(dòng)一周后校正結(jié)束。校正時(shí)主要調(diào)整的系數(shù)就是本地的磁偏角。將磁場(chǎng)強(qiáng)度歸一化后，直接對(duì)x,y軸的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算就可以得到當(dāng)前方向與正東方向的夾角，如圖4.7所示。從圖4.7中可以看出夾角就是：圖 4.7 角度的計(jì)算 還有一個(gè)問(wèn)題是要根據(jù)角度所在的不同的象限，對(duì)求得的角度值加以修正。參考程序如下。ratio = yrevise / xrevise; if( ratio 0) & (yrevise 0) / 如果角度是在其它象限中，那么進(jìn)行修正 return 360 - angle; else if(xrevise 0) return 180 + angle; else if(xrev

39、ise 0) & (yrevise 0) & (yrevise 0) return angle; 結(jié) 論所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中包含了磁場(chǎng)傳感器、微控制器、顯示部件、輸入部件和實(shí)時(shí)時(shí)鐘等部分，微控制器通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)傳感器配套的asic進(jìn)行讀取獲得當(dāng)前方向地磁場(chǎng)的強(qiáng)度，通過(guò)一定的運(yùn)算后由直觀的人機(jī)界面顯示出來(lái)，并可通過(guò)微控制器的串口和上位機(jī)建立連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。在整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中充分掌握各模塊電路的工作原理，對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使用c語(yǔ)言編寫(xiě)全部的驅(qū)動(dòng)程序。本系統(tǒng)用于方位指示實(shí)測(cè)精度高、功耗小、顯示直觀。因?yàn)閭€(gè)人在知識(shí)面和能力方面還有限，再加上條件的限制，電子指南針的采樣精度和抗干擾能力等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的提高

40、、諸多功能的完善還需要進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)，此外在完成基本功能的基礎(chǔ)上，還需要努力提高軟件的效率、硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定性、進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗等。致 謝在本論文完成之際，我首先要向我的指導(dǎo)老師王晶老師表達(dá)我最誠(chéng)摯的謝意，感謝王老師在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中耐心細(xì)致的指導(dǎo)！感謝在畢業(yè)設(shè)計(jì)中給予我支持的所有同學(xué)！我還要特別要向我的家人表示由衷的感謝，正是他們的無(wú)私奉獻(xiàn)和鼎力支持，我才能順利的完成我的學(xué)業(yè)。向百忙之中抽出寶貴時(shí)間來(lái)評(píng)閱這篇論文的各位專(zhuān)家致以衷心的感謝！參考文獻(xiàn)1 jean jlabrosse, 邵貝貝等譯. 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uc/os-ii(第二版)m. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2003.

41、2 周航慈, 吳光文. 基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)技術(shù)m. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2006. 3 任哲. 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uc/os-ii原理及應(yīng)用m. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社，2006. 5 黃志偉編著. 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)m. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2006.6 常玉燕, 呂光譯. 日本電子電路精選m. 北京: 電子工業(yè)出版社, 1990.7 佐藤一朗. 集成運(yùn)算運(yùn)算放大器電路設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)m. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 1989.8 bonnie baker. 嵌入式系統(tǒng)中的模擬設(shè)計(jì)m, 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社. 2006附錄i. pin11096程序/*文件名稱(chēng)：pin1109