基于嵌入式磁阻控制采集系統(tǒng)

1、*實踐教學(xué)*蘭州理工大學(xué)計算機與通信學(xué)院年春季學(xué)期嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計題 目： 基于嵌入式磁阻控制采集系統(tǒng) 專業(yè)班級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 成 績： 摘要磁阻傳感器模塊采用單軸磁場變化傳感器來感應(yīng)單一方向的磁變化量，有正負(fù)之分。本文設(shè)計了一個磁阻傳感器采集控制系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的基本原理，系統(tǒng)分析，詳細(xì)設(shè)計及實現(xiàn)流程圖，并重點介紹了串口數(shù)據(jù)收集的原理，通過嵌入式設(shè)備完成室內(nèi)環(huán)境信息 的采集至網(wǎng)關(guān)設(shè)備，通過上下位機實現(xiàn)終端嵌入式設(shè)備的信息收集及相關(guān)設(shè)備的控制。 關(guān)鍵詞：嵌入式、磁阻傳感器、串口通信目錄一、前言31.1課題研究背景31.2課程研究目的和意義3二、基本原理42.1磁阻傳感器

2、42.2磁阻傳感器采集模塊52.3 CC2530 串口通信原理6三、系統(tǒng)分析7四、詳細(xì)設(shè)計84.1 實現(xiàn)磁阻采集的硬件部分84.2 總體結(jié)構(gòu)軟件圖9五、結(jié)論總結(jié)16六、參考文獻17一、前言1.1課題研究背景隨著3C融合進程和我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級的加速，人們對設(shè)備越來越高的應(yīng)用需要已經(jīng)無法滿足當(dāng)前和未來高性能的應(yīng)用與發(fā)展需求。顯然，嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件技術(shù)和開發(fā)手段，正日益受到重視，成為各領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的重要基礎(chǔ)。目前，嵌入式系統(tǒng)是近年來發(fā)展很快的計算機方面的學(xué)科方向，并迅速滲透到控制、自動化、儀器儀表等學(xué)科。嵌入式方向包括了軟硬件協(xié)同設(shè)計、嵌入式體系結(jié)構(gòu)、實時操作系統(tǒng)、嵌入式產(chǎn)品設(shè)計等方面的知識

3、，大于當(dāng)代大學(xué)生，更需要掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的典型開發(fā)工具和開發(fā)核心技術(shù)。對于嵌入式市場的發(fā)展來說，中國市場的意義更加重大。中國市場對于嵌入式互聯(lián)網(wǎng)這場革命來說非常關(guān)鍵。勃勃的生機，很好的產(chǎn)業(yè)互動，良好的協(xié)作精神，中國現(xiàn)在正在形成-個健康的嵌入式的發(fā)展模式和轉(zhuǎn)型模式。中國可能是-個引發(fā)點，嵌入式市場先在中國蓬勃發(fā)展，然后輻射到全球其他地區(qū)。1.2課程研究目的和意義Linux操作系統(tǒng)是-個開放源代碼的免費操作系統(tǒng)，它不僅安全、穩(wěn)定、成本低，而且很少發(fā)現(xiàn)有病毒傳播，越來越的服務(wù)器、工作站和個人電腦開始使用Linux軟件，基于Linux具有穩(wěn)定、可靠和強大的網(wǎng)絡(luò)功能這些優(yōu)點。在Linux環(huán)境下實現(xiàn)-個

4、boa web服務(wù)。17二、基本原理本實驗將使用 CC2530 讀取磁阻傳感器的磁感應(yīng)強度及輕度的垂直分量與水平分量的數(shù)據(jù)，并 通過 CC2530 內(nèi)部的 ADC 得到光照傳感器的數(shù)據(jù)。最后將采樣到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換然后在 LCD 上顯示。其中對磁阻數(shù)據(jù)的讀取是利用 CC2530 的 I/O（P1.0 和 P1.1）模擬一個類 IIC 的過程。其中該系統(tǒng)所使用的是HMC1002。2.1磁阻傳感器磁阻傳感器是利用磁性金屬在磁場中電阻變小的磁阻效應(yīng)來測量磁感應(yīng)強度及磁感應(yīng)輕度的水平分量和垂直分量的傳感器，由于它體積小，靈敏度高，易安裝等特點，在弱電磁場測量方面有廣泛的應(yīng)用前景。磁阻傳感器特點：磁場范圍寬：

5、磁場范圍為±6微高斯，仍保持很高的靈敏度，最小可檢測磁場為85高斯體積小：可組合三軸(XYZ)或單獨檢測1軸或2軸，1軸傳感器有8腳SIP封裝或8腳SOIC封裝固態(tài)：和磁通門相比，磁阻傳感器減少了線路板組裝成本，增加了可靠性和堅固程度低功耗：驅(qū)動置位/復(fù)位和偏置電路的電路全面降低，并減少了周邊線路成本低，適合大批量生產(chǎn)磁阻傳感器的原理 ：磁性材料(如坡莫合金)具有各向異性，對它進行磁化時，其磁化方向?qū)⑷Q于材料的易磁化軸、材料的形狀和磁化磁場的方向。，當(dāng)給帶狀坡莫合金材料通電流時，材料的電阻取決于電流的方向與磁化方向的夾角。如果給材料施加一個磁場B(被測磁場)，就會使原來的磁化方向轉(zhuǎn)

6、動。如果磁化方向轉(zhuǎn)向垂直于電流的方向，則材料的電阻將減小;如果磁化方向轉(zhuǎn)向平行于電流的方向，則材料的電阻將增大。磁阻效應(yīng)傳感器一般有四個這樣的電阻組成，并將它們接成電橋。在被測磁場B作用下，電橋中位于相對位置的兩個電阻阻值增大，另外兩個電阻的阻值減小。在其線性范圍內(nèi)，電橋的輸出電壓與被測磁場成正比。磁阻傳感器的應(yīng)用：磁阻傳感器不僅可以用來測量地磁場的存在，強弱和方向，而且可以測量來自永磁體、軟磁體、車輛移動、腦電波的活動及電流所產(chǎn)生的磁場。由于磁阻傳感器可以不經(jīng)過物理接觸就能測出它們的特性，磁阻傳感器變成了許多工業(yè)和航?？刂葡到y(tǒng)至關(guān)重要的部件。2.2磁阻傳感器采集模塊基于 HMC1022 磁引

7、信的信號采集模塊，其硬件電路包括磁探測電路、信號放大電路、信號濾波電路和 基于 MSP430F149 芯片的 A/D 轉(zhuǎn)換電路。模塊軟件采用 C 語言編寫，并在 ICCAVR 集成環(huán)境中編輯、編譯。實驗結(jié) 果證明整個系統(tǒng)具有精度高、功耗低、接口方便和微型化的優(yōu)點。 磁傳感器的物理特性 ：HMC1022是利用磁阻效應(yīng)構(gòu)成的AMR各項異 性磁阻傳感器，其敏感元件以硅作襯底，在其上制 作 4 個相同的 NiFe（鐵鎳）合金帶構(gòu)成惠斯通電橋。 4 個相同的磁敏電阻器（NiFe 合金帶）MR（Magnetic Resisitive）供橋路電源電壓 Vbridge，產(chǎn)生流經(jīng)電 阻器 R 的電流，垂直方向的

8、磁場使對立的 2 個電阻 器阻值升高，使另外的 2 個電阻器的阻值降低，在 線性范圍內(nèi)，輸出電壓 Vout 和被測磁場強度成 正比，即在外部磁場的作用下，磁阻的變化引起輸 出電壓（Vout和 Vout）的變化，并直接表示磁 場的強度。此外，HMC1022 型磁阻傳感器內(nèi)部集 成兩套互相垂直的惠斯通電橋，分別用來測量與芯 片平行和垂直方向的磁場 Bx 和 By。 數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成 ：該模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和傳送及接收數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的命令。采集磁場變化數(shù)據(jù)，對采集到的數(shù)據(jù)進行判斷，將正確的數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，錯誤和誤差較大的數(shù)據(jù)則剔除。該模塊由磁敏傳感器芯片 HMC1022 電路、信號放大電路、信號

9、濾波電路和 A/D 轉(zhuǎn)換電路組成， 但主芯片MSP430F149具有12位的A/D 轉(zhuǎn)換模塊， 因此 A/D 轉(zhuǎn)換功能由 MSP430F149 完成，如圖 1。 濾波 集成運放磁敏傳感器 BxBy 上位機 A/D轉(zhuǎn)換 MSP430 串行通信 圖 1 數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)框圖 2.3 CC2530 串口通信原理 UART 接口使用 2 線或含有引腳 RXD、TXD、可選 RTS 和 CTS 的 4 線。 UART 操作由 USART 控制和狀態(tài)寄存器 UxCSR 以及 UART 控制寄存器 UxUCR 來控制。這里的 x 是 USART 的編號，其數(shù)值為 0 或者 1。 當(dāng) UxCSR.MODE 設(shè)

10、置為 1 時，就選擇了 UART 模式。 當(dāng) USART 收/發(fā)數(shù)據(jù)緩沖器、寄存器 UxBUF 寫入數(shù)據(jù)時，該字節(jié)發(fā)送到 輸出引腳 TXDx。UxBUF 寄存器是雙緩沖的。 當(dāng)字節(jié)傳輸開始時，UxCSR.ACTIVE 位變?yōu)楦唠娖剑?dāng)字節(jié)傳送結(jié)束時為 低。當(dāng)傳送結(jié)束時，UxCSR.TX_BYTE 位設(shè)置為 1.當(dāng) USART 收/發(fā)數(shù)據(jù)緩沖寄 存器就緒，準(zhǔn)備接收新的發(fā)送數(shù)據(jù)時，就產(chǎn)生了一個中斷請求。該中斷在傳送開 始之后立刻發(fā)生，因此，當(dāng)字節(jié)正在發(fā)送時，新的字節(jié)能夠裝入數(shù)據(jù)緩沖器。 當(dāng) 1 寫入 UxCSR.RE 位時，在 UART 上數(shù)據(jù)接收就開始了。然后 UART 會在輸入引腳 TXDx

11、 中尋找有效起始位，并且設(shè)置 UxCSR.ACTIVE 位為 1.當(dāng) 檢測出有效起始位時，收到的字節(jié)就傳入到接收寄存器，UxCSR.RX_BYTE 位 設(shè)置為 1.該操作完成時，產(chǎn)生接收中斷。同時 UxCSR.ACTIVE 變?yōu)榈碗娖健?通 過 寄 存 器 UxBUF 提 供 到 的 數(shù) 據(jù) 字 節(jié) 。 當(dāng) UxBUF 讀 出 時 ， UxCSR.RX_BYTE 位由硬件清 0。三、系統(tǒng)分析該系統(tǒng)通過HMC1002磁阻傳感器實現(xiàn)對磁感應(yīng)強度及輕度的水平分量與垂直分量的采集，將信號送至節(jié)點，從節(jié)點采集磁阻數(shù)據(jù)，每隔一定的時間輪流向主節(jié)點發(fā)送，主節(jié)點收到數(shù)據(jù)之后通過串口將各節(jié)點的數(shù)據(jù)傳給智能主板。

12、 具體步驟描述: （1）給智能主板供電（USB 外接電源或 2 節(jié)干電池）； （2）將一個無線節(jié)點模塊插入到帶 LCD 的智能主板的相應(yīng)位置； （3）將磁阻傳感器模塊插入到智能主板的傳感及控制擴展口位 置； （4）接下來將 CC2530 仿真器的一端通過 USB 線（A 型轉(zhuǎn) B 型）連接 到 PC 機，另一端通過 10Pin 下載線連接到智能主板的 CC2530 JTAG 口 （J203）； （5）將智能主板上電源開關(guān)撥至開位置。按下仿真器上的按鈕，仿真器上 的指示燈為綠色時，表示連接成功； （6）在主機編寫程序并調(diào)試，下載到下位機運行。 （7）觀察 LCD 上磁場數(shù)據(jù)的變化。 四、詳細(xì)設(shè)計

13、本設(shè)計是基于 CC2530 的磁阻采集系統(tǒng)設(shè)計。因此，其重點是磁場數(shù)據(jù)采集設(shè)計的實現(xiàn) 實現(xiàn)磁場數(shù)據(jù)采集的硬件部分主要包括：無線傳感基本結(jié)構(gòu)、無線傳感實現(xiàn) 原理、本設(shè)計所使用的試驗箱以及軟件支持、常見的無線傳感模塊以及實現(xiàn)基于 CC2530 的磁場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)節(jié)點模塊設(shè)計。 4.1 實現(xiàn)磁阻采集的硬件部分 嵌入式溫濕度采集系統(tǒng)的硬件部分可以大體有無線傳感基本結(jié)構(gòu)、無線傳感 實現(xiàn)原理、本設(shè)計所使用的試驗箱以及軟件支持、常見的無線傳感模塊以及實現(xiàn) 基于 CC2530 的溫濕度采集系統(tǒng)節(jié)點模塊設(shè)計等組成。其具體內(nèi)容如下： 1、無線傳感基本結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)原理 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計目標(biāo)方面是以數(shù)據(jù)為中心的，在

14、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中， 因為節(jié)點通常運行在人無法接近的惡劣甚至危險的遠(yuǎn)程環(huán)境中，所以除了少數(shù)節(jié) 點也要移動外，大部分節(jié)點是靜止不動的。在被檢測區(qū)域內(nèi)，節(jié)點任意散落，節(jié) 點除了需要完成感測特定的對象外，還需要進行簡單的計算，維持互相之間的網(wǎng) 絡(luò)連接等功能。并且由于能源的無法替代以及低功耗的多跳通信模式，設(shè)計無線 傳感節(jié)點時，有效的延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期以及節(jié)點的低功耗成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 研究的核心問題，其無線傳感節(jié)點模型如下圖： 圖2 設(shè)計硬件部分圖 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立是基于傳感器加無線傳輸模塊的，傳感器采集的數(shù)據(jù)， 簡單處理后經(jīng)過無線傳輸模塊傳到服務(wù)器或應(yīng)用終端。目標(biāo)，觀測節(jié)點，傳感節(jié) 點和感知視場是

15、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所包括的4個基本實體對象。大量傳感節(jié)點隨機 部署，單個節(jié)點進過初始的通信和協(xié)議，通過自組織方式自行配置，形成一個傳 輸信息的單跳鏈接或一系列無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同形成對目標(biāo)的感知視 場。傳感節(jié)點檢測的目標(biāo)信號經(jīng)過傳感器本地簡單處理后通過單播或廣播以多跳 的方式通過鄰近傳感節(jié)點傳輸?shù)接^測節(jié)點。用戶和遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元則能夠通過 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)或 Internet 等外部網(wǎng)絡(luò)，與觀測節(jié)點進行數(shù)據(jù)信息的交互。觀測 節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請求和控制指令，接受傳感節(jié)點返回的目標(biāo)信息。 2、使用的試驗箱以及軟件支持 物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新試驗系統(tǒng) IOV-T-2530采用系列傳感器模塊和無線節(jié)點模塊組成

16、無線傳感網(wǎng)，擴展嵌入式網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)廣域訪問，可實現(xiàn)多種物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架，完成物聯(lián) 網(wǎng)相關(guān)的各種傳感器的信息采集、無線信號收發(fā)，組件控制 全過程。該工具提供了無線傳感網(wǎng)通信模塊，基本的傳感器及控制器模塊、嵌入 式網(wǎng)關(guān)、計算機服務(wù)器參考軟件等。 3、實現(xiàn)磁阻采集系統(tǒng)節(jié)點模塊設(shè)計 實驗系統(tǒng)包含4個無線傳感網(wǎng)通信節(jié)點和一個無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，其中具體情 況如下： 無線節(jié)點模塊：主要有射頻單片機構(gòu)成，MCU 是 TI 的 CC2530，2.4G 載頻， 棒狀天線。 傳感器及控制模塊：包括溫濕度傳感器模塊，繼電器模塊和 RS232模塊等， 也可以通過總線擴展用戶自己的傳感器及控制部件。 電源板或智能主板：即實現(xiàn)無線節(jié)點

17、模塊與傳感器及控制模塊的連接，又實 現(xiàn)系統(tǒng)供電。 4.2總體結(jié)構(gòu)軟件圖 1、串口通信設(shè)計 程序流程圖及核心代碼： 圖3 通信設(shè)計軟件流程圖 代碼清單： /*/ * 函數(shù)名稱：initUART * 功能描述：CC2530 串口初始化 */ void initUART(void) PERCFG = 0x00; /位置 1 P0 口 P0SEL = 0x3c; /P0用作串口 U0CSR |= 0x80; /UART 方式 U0GCR |= 11; /baud_e = 11; U0BAUD |= 216; /波特率設(shè)為 115200 UTX0IF = 1; U0CSR |= 0X40; /允許接收

18、IEN0 |= 0x84; /uart0接收中斷 /*/ * 函數(shù)名稱：UartTX_Send_String * * 功能描述：發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù) * * 參 數(shù)：*Data - 發(fā)送數(shù)據(jù)指針 * len - 發(fā)送的數(shù)據(jù)長度 * * 返 回 值：無 */ void UartTX_Send_String(UINT8 *Data,int len) int j; for(j=0;j<len;j+) U0DBUF = *Data+; while(UTX0IF = 0); UTX0IF = 0; /*/ * 函數(shù)名稱：HAL_ISR_FUNCTION * * 功能描述：串口接收數(shù)據(jù)中斷函數(shù) * * 參

19、數(shù)：halUart0RxIsr - 中斷名稱 * URX0_VECTOR - 中斷向量 * * 返 回 值：無 /*/ HAL_ISR_FUNCTION( halUart0RxIsr, URX0_VECTOR ) UINT8 temp; URX0IF = 0; temp = U0DBUF; *(str + count) = temp; count+; /*/ * 函數(shù)名稱：main * 功能描述：串口間歇發(fā)送 字符串，當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù) 后，再通過串口 * 回發(fā)出去。 /*/ void main() UINT8 *uartch = " " UINT8 temp = 0; SE

20、T_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL); /設(shè)置主時鐘 為 32M 晶振 initUART(); /初始化串口 while(1) UartTX_Send_String(uartch,17); /發(fā)送 halWait(200); halWait(200); if(count) /判斷串口是否接收到數(shù)據(jù) temp = count; /保存接收的數(shù)據(jù)長度 halWait(50); /等待數(shù)據(jù)接收完成 if(temp =count) /判斷數(shù)據(jù)是否接收完成 UartTX_Send_String(str,count); /回發(fā)接收到的數(shù)據(jù) str = 0; count = 0; 2、磁

21、阻傳感器模塊設(shè)計 程序流程圖及核心代碼： 模塊初始化 返回 下一次？N 單片機復(fù)位YYN 輸出磁強 等待 濾波及控制 算法 傳感器 采樣信號 A/D轉(zhuǎn)換 信號調(diào)理和放大圖4 磁阻傳感器模塊設(shè)計軟件流程圖代碼清單： void main() int impedance; char s16; UINT8 adc0_value2; float num = 0; SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL); / 設(shè)置系統(tǒng)時鐘 源為 32MHz 晶體振蕩器 GUI_Init(); / GUI 初始化 GUI_SetColor(1,0); / 顯示色為亮點，背景色為暗點 GUI_PutSt

22、ring5_7(25,6,"OURS-CC2530"); /顯示 OURS-CC2530 GUI_PutString5_7(10,22," impedance:"); GUI_PutString5_7(10,48,"Light:"); LCM_Refresh(); while(1) th_read(&impedance); /讀取磁阻 sprintf(s, (char*)"%d%d C", (INT16)(int) impedance / 10), (INT16)(int) impedance % 10);

23、 /將磁阻結(jié)果轉(zhuǎn)換為字符串 GUI_PutString5_7(48,22,(char *)s); /顯示結(jié)果 LCM_Refresh(); sprintf(s, (char*)"%d%d %", /將磁阻結(jié)果轉(zhuǎn)換為字符串 GUI_PutString5_7(48,35,(char *)s); /顯示結(jié)果 LCM_Refresh(); /* AIN0 通道采樣 */ ADC_ENABLE_CHANNEL(ADC_AIN0); / 使能 AIN0 為 ADC 輸入通道 /* 配置 ADCCON3 寄存器以便在 ADCCON1.STSEL = 11(復(fù)位默認(rèn)值)且 ADCCON1.

24、ST = 1時進行單一轉(zhuǎn)換 */ /* 參考電壓：AVDD_SOC 引腳上的電壓 */ /* 抽取率：512 */ /* ADC 輸入通道：AIN0 */ ADC_SINGLE_CONVERSION(ADC_REF_AVDD | ADC_14_BIT | ADC_AIN0); ADC_SAMPLE_SINGLE(); / 啟動一個單一轉(zhuǎn)換 while(!ADC_SAMPLE_READY(); / 等待轉(zhuǎn)換完成 ADC_ENABLE_CHANNEL(ADC_AIN0); / 禁止 AIN0 adc0_value0 = ADCL; / 讀取 ADC 值 adc0_value1 = ADCH; /

25、讀取 ADC 值 adc0_value0=adc0_value0>num=(adc0_value1*256+adc0_value0)*3.3/8192; /有一位符號位,取213; num /= 4; num=num*913; /轉(zhuǎn)換為 Lx sprintf(s, (char*)"%d%d%d%d lx", (INT16)(int)num/1000), (INT16)(int)num%1000/100),(INT16)(int)num%100/10),(INT16)(int)num %10); GUI_PutString5_7(48,48,(char *)s); /顯示結(jié)果 LCM_Refresh(); ; 五、結(jié)論總結(jié)在本次嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)課程設(shè)計中，我比較系統(tǒng)的了解了Zigbee協(xié)議，串口通信，HWC1002這些概念。不僅學(xué)習(xí)了設(shè)計一個基于嵌入式磁阻控制采集系統(tǒng)，甚至也了解了一些關(guān)于無線傳感器的知識。這次課程設(shè)計的主要目的是設(shè)計一個基于嵌入式磁阻控制的采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個采用HWC1002無線單片機進行磁阻的數(shù)據(jù)采集，并結(jié)合ZigBee協(xié)議架構(gòu)進行編程的設(shè)計，主要使用C51實現(xiàn)基于HWC1002的磁阻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊的設(shè)計，并在IAR集成環(huán)境中進行基于ZigB