473.二維高精度液晶顯示電子指南針設(shè)計(jì)

1、 信息工程學(xué)院學(xué)位論文二維高精度液晶顯示電子指南針設(shè)計(jì)論文作者姓名： 申請(qǐng)學(xué)位專(zhuān)業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)申請(qǐng)學(xué)位類(lèi)別：工學(xué)學(xué)士指導(dǎo)教師姓名（職稱(chēng)）： 論文提交日期： 二維高精度液晶顯示電子指南針設(shè)計(jì)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)指南針從便攜性、指示靈敏度上都有一定不足。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)。實(shí)際測(cè)試指南針模塊精度達(dá)到1，能夠在lcd上顯示當(dāng)前方

2、位并能通過(guò)鍵盤(pán)控制上傳指南針處理得到的數(shù)據(jù)到上位機(jī)。關(guān)鍵詞：電子指南針；gmr；mcu；lcdthe design of two-dimensional high-precision lcd electronic compass abstractsince 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.

3、using a dedicated high-speed magnetic sensors with microcontroller (mcu) electronic compass can 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 d

4、ealt with the results, through the lcd screen display and can be sent to the mcus top serial machine. the actual test compass module can reach 1 , in the lcd display on the current position of the keyboard and through selective compass upload the data processing.key words: electronic compass; gmr; m

5、cu; lcd目 錄論文總頁(yè)數(shù)：18頁(yè)1 引言11.1 課題背景11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 本課題研究的意義12 系統(tǒng)框圖及原理13 磁場(chǎng)信號(hào)采集和處理23.1 磁阻傳感器33.2 磁場(chǎng)測(cè)量asic34 系統(tǒng)硬件54.1 系統(tǒng)控制器54.1.1 控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)54.1.2 控制器存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)54.1.3 控制器具體電路64.2 系統(tǒng)擴(kuò)展電路84.2.1 通信電路84.2.2 指南針模塊接口電路94.2.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路94.2.4 液晶顯示電路104.2.5 系統(tǒng)輸入電路115 系統(tǒng)軟件135.1 主監(jiān)控程序135.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)145.3 人機(jī)界面驅(qū)動(dòng)145.3.1 液晶模塊驅(qū)動(dòng)145.

6、3.2 鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)145.4 指南針模塊驅(qū)動(dòng)15結(jié) 論16參考文獻(xiàn)16致 謝17聲 明181 引言1.1 課題背景指南針的發(fā)明是我國(guó)勞動(dòng)人民，在長(zhǎng)期的實(shí)踐中對(duì)物體磁性認(rèn)識(shí)的結(jié)果。由于生產(chǎn)勞動(dòng)，人們接觸了磁礦石，開(kāi)始了對(duì)磁性質(zhì)的了解。人們首先發(fā)現(xiàn)了磁石引鐵的性質(zhì)。后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了磁石的指向性。經(jīng)過(guò)多方的實(shí)驗(yàn)和研究，終于發(fā)明了可以實(shí)用的指南針。指南針的始祖大約出現(xiàn)在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期。它是用天然磁石制成的。樣子象一把湯勺，圓底，可以放在平滑的“地盤(pán)”上并保持平衡，且可以自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)它靜止的時(shí)候，勺柄就會(huì)指向南方。古人稱(chēng)它為“司南”。司南由青銅盤(pán)和天然磁體制成的磁勺組成，青銅盤(pán)上刻有二十四向，置磁勺于盤(pán)中心圓面上，

7、靜止時(shí)，勺尾指向?yàn)槟稀５灸弦灿性S多缺陷，天然磁體不易找到，在加工時(shí)容易因打擊、受熱而失磁。所以司南的磁性比較弱，而且它與地盤(pán)接觸處要非常光滑，否則會(huì)因轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力過(guò)大，而難于旋轉(zhuǎn)，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的指南效果。而且司南有一定的體積和重量，攜帶很不方便，使得司南長(zhǎng)期未得到廣泛應(yīng)用。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著人們對(duì)指南針原理認(rèn)識(shí)的不斷深入，指南針也由先前笨重的“司南”發(fā)展到現(xiàn)在的便攜式的指南針。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，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便攜性、靈敏度、精度以及使用壽命上

8、都有一定的限制。由于國(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)用芯片（asic）上的發(fā)展使能指南針的基本實(shí)現(xiàn)機(jī)理有了質(zhì)的改變，不再是機(jī)械結(jié)構(gòu)而采用了磁場(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，這就是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的電子式指南針。1.3 本課題研究的意義本課題針對(duì)電子指南針的各個(gè)功能部件對(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。2 系統(tǒng)框圖及原理圖2.1 系統(tǒng)框圖電子指南針的系統(tǒng)

9、主要由前端磁阻傳感器、磁場(chǎng)測(cè)量專(zhuān)用轉(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2.1所示。整個(gè)系統(tǒng)中前端的磁阻傳感器負(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總線(xiàn)上傳給微控制器。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。3 磁

10、場(chǎng)信號(hào)采集和處理圖3.1 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3.1所示。3.1 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(xiàn)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(xiàn)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。基于普通電感線(xiàn)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。磁阻傳感器

11、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3.2所示。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。圖3.2 磁阻傳感器原理及其外形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。3.2 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

12、的磁場(chǎng)測(cè)量芯片來(lái)完成。本次設(shè)計(jì)中使用了著名pni公司的pni11096磁場(chǎng)測(cè)量asic，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： 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3.3所示。圖3.3 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)換。 數(shù)據(jù)接口電路：這部分組要完成對(duì)a/d轉(zhuǎn)換后

13、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3.4 pni11096傳感器原理圖整個(gè)pni11096和傳感器的連接電路如圖3.4所示。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。整個(gè)指南針模塊的電路如圖所示。圖3.5 指南針模塊總電路圖4 系統(tǒng)硬件4.1 系統(tǒng)控制器4.1.1 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(fǎng)問(wèn)模式。片內(nèi)64kb閃存

14、，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(fǎng)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。4.1.2 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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)和地址線(xiàn)的擴(kuò)展，這樣使得系統(tǒng)電路復(fù)雜且使系統(tǒng)的性

15、能下降。圖4.1 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的程序存可以滿(mǎn)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?；赿s89c450微控制器內(nèi)建的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。4.1.3 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

16、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(xiàn)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(mǎn)足rs-232標(biāo)準(zhǔn)?？刂撇糠蛛娐啡鐖D4.2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。圖4.2 系統(tǒng)控制電路圖4.3 系統(tǒng)時(shí)鐘和復(fù)位電路整個(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)。具體電路如所示。

17、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。4.2 系統(tǒng)擴(kuò)展電路4.2.1 通信電路在本次設(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4.4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4.5 串口邏輯電路圖4.4 串口通信電路在本次設(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4.5所示。由于ds89c450提供在系統(tǒng)編程，可以很方便的通過(guò)串口

18、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。4.2.2 指南針模塊接口電路本次設(shè)計(jì)中采用了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(xiàn)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4.1 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)

19、制為（0359）。spi(serial peripheral interface-串行外設(shè)接口)總線(xiàn)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。該接口一般使用4條線(xiàn)：串行時(shí)鐘線(xiàn)（sck）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線(xiàn)miso、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線(xiàn)most和低電平有效的從機(jī)選擇線(xiàn)ss(有的spi接口芯片帶有中斷信號(hào)線(xiàn)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(xiàn)mosi)。由于spi系統(tǒng)總線(xiàn)一共只需34位數(shù)據(jù)線(xiàn)和控制即可實(shí)現(xiàn)與具有spi總線(xiàn)接口功能的各種i/o器件進(jìn)行接口，而擴(kuò)展并行總線(xiàn)則需要8根數(shù)據(jù)線(xiàn)、816位地址線(xiàn)、23位控制線(xiàn)，因此

20、，采用spi總線(xiàn)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(xiàn)，提高設(shè)計(jì)的可靠性。圖4.6 spi總線(xiàn)時(shí)序spi總線(xiàn)的時(shí)序如圖4.6所示。4.2.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路系統(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(xiàn)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)

21、鐘部分電路如圖4.7所示。圖4.7 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路pcf8583采用了i2c總線(xiàn)的形式與外界傳輸數(shù)據(jù)。i2c(interintegrated circuit)總線(xiàn)是一種由philips公司開(kāi)發(fā)的兩線(xiàn)式串行總線(xiàn)，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4.8所示。圖4.8 i2c總線(xiàn)時(shí)序4.2.4 液晶顯示電路圖4.9 160*128 lcm原理本次設(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

22、原理如圖4.9所示。圖4.10 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4.10所示。4.2.5 系統(tǒng)輸入電路圖4.11 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4.11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

23、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(xiàn)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4.12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4.13、圖4.14所示。圖4.12 系統(tǒng)總體電路圖系統(tǒng)的pcb頂層

24、圖如圖所示。圖4.13 系統(tǒng)主電路板pcb頂層圖圖4.14 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。5 系統(tǒng)軟件5.1 主監(jiān)控程序圖5.1 系統(tǒng)監(jiān)控程序流程整個(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5.1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

25、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)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(mǎn)足其要求。5.2 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

26、通過(guò)對(duì)其內(nèi)部線(xiàn)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(xiàn)對(duì)其內(nèi)部ram進(jìn)行讀寫(xiě)。整個(gè)驅(qū)動(dòng)流程如圖5.2所示。圖5.2 pcf8583驅(qū)動(dòng)流程5.3 人機(jī)界面驅(qū)動(dòng)5.3.1 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5.3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。圖5.3 lcm驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)5.3.2 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

27、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。5.4 指南針模塊驅(qū)動(dòng)圖5.4 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。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5.5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

28、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5.6所示。圖5.6 歸一化后磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖5.5 未處理時(shí)真實(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度分布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5.7所示。圖5.7 角度的計(jì)算從圖5.7中可以看出夾角就是： (5.1)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)，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)精度可以達(dá)到1