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目录
第1章绪论1
1.1课题背景及意义1
1.2国内外研究现状2
1.3本文所做的主要工作3
第2章基本原理及总体设计4
2.1专业术语说明4
2.1.1地磁场4
2.1.2磁感应强度5
2.1.3磁子午线5
2.1.4磁偏角5
2.2HMC5883L传感器模块6
2.2.1工作原理6
2.2.2数据处理8
2.2.3寄存器访问10
2.3单片机最小系统11
2.3.1430单片机与51系列单片机的比较11
2.3.2国内430单片机开发板概况12
2.3.3MSP430F149开发板12
2.3.4主要硬件构成13
2.3.5单片机的IIC总线通信技术14
2.3.6HMC5883L的IIC通信17
2.4系统的原理框图19
第3章硬件设计20
3.1系统设计连线图20
3.2单片机最小系统的外围电路20
3.2.1电源电路20
3.2.2晶振电路20
3.2.3复位电路21
3.2.4FLASH存储器电路设计22
3.3串口电路23
3.4DAC电路25
3.5USB接口电路26
3.6JTAG调试接口及JTAG下载线介绍27
3.7MSP430F149单片机与HMC5883L模块的连接28
3.8LCD1602液晶屏模块28
3.9HMC5883L的校准及自测32
第4章系统调试34
4.1硬件调试34
4.2软件调试34
4.2.1IAR编程环境34
4.2.2IAR仿真36
4.2.3HMC5883L模块ADC测试39
4.2.4MSP430F149的仿真41
4.2.5系统联调41
4.2.6串口握手43
第5章结论与展望45
参考文献46
附录47
致谢60
第1章绪论
1.1课题背景及意义
中国是世界上公认发明指南针的国家。
指南针的发明是我国汉族劳动人民在长期的实践中对磁性认识的结果,由于生产劳动,人们接触了磁铁矿,开始了对磁性质的了解。
人们首先发现了磁石吸引铁的性质,后来又发现了磁石的指向性。
经过多方面的实验和研究,终于发明了实用的指南针。
最早的指南针是用天然磁铁做成的,这说明中国汉族劳动人民很早就发现了使用的指南针。
指南针的始祖大约出现在战国时期。
它是用天然磁石制成的。
样子象一把汤勺,圆底,可以放在平滑的“地盘”上并保持平衡,且可以自由旋转。
当它静止的时候,勺柄就会指向南方。
古人称它为“司南”。
司南由青铜盘和天然磁体制成的磁勺组成,青铜盘上刻有二十四向,置磁勺于盘中心圆面上,静止时,勺尾指向为南。
由于正处于奴隶制社会向封建社会过渡的大变革时期,生产力有了很大的发展,特别是农业生产更是兴盛发达,因而促使采矿业、冶炼业的发展。
在长期的生产实践中,人们从铁矿石中认识了磁石。
最早的指南针是司南如图1-1。
图1-1司南
但司南也有许多缺陷,天然磁体不易找到,在加工时容易因打击、受热而失磁。
所以司南的磁性比较弱,而且它与地盘接触处要非常光滑,否则会因转动摩擦阻力过
大,而难于旋转,无法达到预期的指南效果。
而且司南有一定的体积和重量,携带很不方便,使得司南长期未得到广泛应用。
本课题针对电子指南针的各个功能部件对电子指南针的关键部分做了详细的研究和介绍。
电子指南针系统是一个典型的单片机系统,了解其工作原理及其信号处理流程有利简单、方便的制作出便携式电子指南针,特别是系统中来自国外的磁传感器及其信号的采集芯片(HMC5883L)更是有利于研究磁场传感器的实现机理,透彻理解磁场传感器的工作原理以便将其更加广泛的应用,尤其是应用MSP430开发板与HMC5883L磁阻传感模块做的指南针具有很大的研究前景。
1.2国内外研究现状
随着人们对指南针原理认识的不断深入,指南针也由先前笨重的“司南”发展到现在的便携式的指南针。
但其基本构造是没有改变的,都是属于机械的指针式,其指示的机械结构基本上没有改变,都是利用某种支撑使得磁针能够受到地磁场的影响而自由的旋转。
由于机械的先天因素导致了指针式指南针在便携性、灵敏度、精度以及使用寿命上都有一定的限制。
国内外现阶段研究电子指南针的主要应用是提供地磁导航功能,相对于其他导航手段而言,地磁导航起步得比较晚。
在20世纪60年代中期,美国的E2systems公司提出了基于地磁异常场等值线匹配的MAGCOM系统,70年代获得测量数据后,系统进行了离线实验。
20世纪80年代初,瑞典的Lund学院对船只的地磁导航进行了实验验证,实验中将地磁强度的测量数据与地磁图进行人工比对,确定船只的位置,同时根据距离已知的两个磁传感器的输出时差,确定船只的速度。
美国目前已开发出地面和空中定位精度优于30m、水下定位精度优于500m的地磁导航系统,并计划用于提高飞航导弹和巡航鱼雷的命中率。
另外,美国在导弹试验方面已开始应用地磁信息,并利用E22飞机进行高空地磁数据测量。
NASAGod2dard空间中心和有关大学对水下地磁导航进行了研究,并进行了大量的地面试验。
国内有关地磁导航的研究还主要集中在仿真和预研阶段,航天科工集团三院的李素敏等人运用平均绝对差法对地面所测量的地磁强度数据进行了匹配运算,
分辨率能达到50m;
西北工业大学的晏登洋等人利用地磁导航校正惯性导航的仿真实验取得了较高的精度。
由于国内外电子技术的飞速发展,特别是在磁传感器和主控单片机芯片上的发展使能指南针的基本实现机理有了质的改变,不再是机械结构而采用了磁场传感器和单片机处理器对磁场进行测量和处理后指示方向,这就是当前应用较为广泛的电子式指南针,尤其是基于HMC5883L磁阻传感模块电子指南针的发展。
它集磁传感器、放大电路、转换电路于一体,使电子指南针模块化,更加便于设计,即使初学者也能很简单和方便的上手。
1.3本文所做的主要工作
本文主要工作就是在熟悉MSP430F149开发板的资源及磁阻传感器HMC5883L的工作原理的基础上,扩展了MSP430F149开发板的接口,利用IIC和RS232通信接口设计出整体原理图及系统,最后下位机联调及上位机调试。
然后根据设计进程,总结并修改。
需要做的工作:
(1)收集有关本次设计的资料并熟悉。
(2)根据已经掌握的知识设计原理图及系统。
(3)掌握串口通信协议,利用握手原则,画出握手流程图。
(3)结合上位机和下位机进行调试,介绍并加强系统的抗干扰性。
(4)对于调试结果进行总结,找出出现实验误差的原因并试图总结解决方案。
第2章基本原理及总体设计
2.1专业术语说明
2.1.1地磁场
地磁场(geomagneticfield)是从地心至磁层顶的空间范围内的磁场,是地磁学的主要研究对象。
人类对于地磁场存在的早期认识,来源于天然磁石和磁针的指极性。
地磁的北磁极在地理的南极附近;
地磁的南磁极在地理的北极附近。
磁针的指极性是由于地球的北磁极(磁性为S极)吸引着磁针的N极,地球的南磁极(磁性为S极)吸引着磁针的N极。
这个解释最初是英国W.吉伯于1600年提出的。
吉伯所作出的地磁场来源于地球本体的假定是正确的。
这已为1839年德国数学家C.F.高斯首次运用球谐函数分析法所证实。
地磁的磁感线和地理的经线是不平行的,它们之间的夹角叫做磁偏角。
中国古代的著
地磁场是一个向量场。
描述空间某一名科学家沈括是第一个注意到磁偏角现象的科学家。
点地磁场的强度和方向,需要3个独立的地磁要素。
常用的地磁要素有7个,即地磁场总强度F,水平强度H,垂直强度Z,X和Y分别为H的北向和东向分量,D和I分别为磁偏角和磁倾角。
其中以磁偏角的观测历史为最早。
在现代的地磁场观测中,地磁台一般只记录H,D,Z或X,Y,Z。
近地空间的地磁场,像一个均匀磁化球体的磁场,其强度在地面两极附近还不到1高斯,所以地磁场是非常弱的磁场。
地磁场强度的单位过去通常采用伽马(γ),即1纳特斯拉。
1960年决定采用特斯拉作为国际测磁单位,1高斯=10^(-4)特斯拉(T),1伽马=10^(-9)特斯拉=1纳特斯拉(nT),简称纳特。
地磁场虽然很弱,但却延伸到很远的空间,保护着地球上的生物和人类,使之免受宇宙辐射的侵害。
地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分,它们在成因上完全不同。
基本磁场是地磁场的主要部分,起源于地球内部,比较稳定,变化非常缓慢。
变化磁场包括地磁场的各种短期变化,主要起源于地球外部,并且很微弱。
地球的基本磁场可分为偶极子磁场、非偶极子磁场和地磁异常几个组成部分。
偶极子磁场是地磁场的基本成分,其强度约占地磁场总强度的90%,产生于地球液态外核内的电磁流体力学过程,即自激发电机效应。
非偶极子磁场主要分布在亚洲东部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等几个地域,平均强度约占地磁场的10%。
地磁异常又分为区域异常和局部异常,与岩石和矿体的分布有关。
地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。
平静变化主要是以一个太阳日为周期的太阳静日变化,其场源分布在电离层中。
干扰变化包括磁暴、地磁亚暴、太阳扰日变化和地磁脉动等,场源是太阳粒子辐射同地磁场相互作用在磁层和电离层中产生的各种短暂的电流体系。
磁暴是全球同时发生的强烈磁扰,持续时间约为1~3天,幅度可达10纳特。
其他几种干扰变化主要分布在地球的极光区内。
除外源场外,变化磁场还有内源场。
内源场是由外源场在地球内部感应出来的电流所产生的。
将高斯球谐分析用于变化磁场,可将这种内、外场区分开。
根据变化磁场的内、外场相互关系,可以得出地球内部电导率的分布。
这已成为地磁学的一个重要领域,叫做地球电磁感应。
2.1.2磁感应强度
与磁力线方向垂直的单位面积上所通过的磁力线数目,又叫磁力线的密度,也叫磁通密度,用B表示,单位为特斯拉(T)。
磁通量:
磁通量是通过某一截面积的磁力线总数,用Φ表示,单位为韦伯(Weber),符号是Wb。
通过一线圈的磁通的表达式为:
Φ=B•S(其中B为磁感应强度,S为该线圈的面积。
)
2.1.3磁子午线
地球表面上某点地磁水平分力线所切的地球大圆。
磁针在受地磁影响(没有自差)的情况下其指向即磁子午线方向(也就是说,在地球磁场作用下,磁针在某点自由静止时其轴线所指的方向)。
因地磁两级不对称和磁场不规律性,磁子午线一般不经过地磁南北极。
故磁针所指的磁北方向不一定是地磁北极的方向。
2.1.4磁偏角
磁北线与真北线之间的夹角(如图2-1),地球表面任一点的磁子午圈同地理子午圈的夹角。
不同的地点磁偏角不同,同一地点不同时间磁偏角也不同。
图2-1磁偏角
2.2HMC5883L传感器模块
2.2.1工作原理
霍尼韦尔HMC5883L是一种表面贴装的高集成模块,并带有数字接口的弱传感器芯片,应用于低成本罗盘和磁场检测领域。
霍尼韦尔HMC5883L磁阻传感器电路是三轴传感器并应用特殊辅助电路来测量磁场。
通过施加供电电源,传感器可以将量测轴方向上的任何入射磁场转变成一种差分电压输出。
磁阻传感器是由一个镍铁(坡莫合金)薄膜放置在硅片上,并构成一个带式电阻元件。
在磁场存在的情况下,桥式电阻元件的变化将引起跨电桥输出电压的相应变化。
这些磁阻元件两两对齐,形成一个共同的感应轴(如引脚图2-3上的箭头所示),随着磁场在感应方向上不断增强,电压也会正向增长。
因为输出只与沿轴方向上的磁阻元件成比例,其他磁阻电桥也放置在正交方向0上,就能精密测量其他方向的磁场强度。
图2-2HMC5883L的外形图图2-3HMC5883L的引脚图
特征:
●3轴和磁阻传感器和ASIC都被封装在3.0x3.0x0.9mm
LCC的表面装备中
●12bitADC与低干扰AMR传感器,能在±
8高斯的磁场中实现5毫高斯分辨率
●内置自检功能
●低电压工作(2.16-3.6V)和超低低功耗(100uA)
●内置驱动电路
●IIC数字接口
●无引线封装结构
●磁场范围广(+/-8Oe)
●有相应软件及算法支持
●最大输出频率可达160Hz
优点:
●小尺寸高集成度产品。
大批量生产只需添加微控制器接口、两个贴片电容,低成本OEM封装,易于安装,适合高速SMT组装
●达到1°
—2°
度罗盘航向精度
●发布会后允许低功耗功能测试
●适用于电池供电的应用场所
●带有设置/复位和偏置驱动器用于消磁、自测和偏移补偿
●适用于消费类电子设备应用中通用双线串行数据接口
●符合RoHS标准
●传感器在强磁场的环境下可达到1°
●可获得罗盘航向、硬磁、软磁以及制自动校准库
●能应用于个人导航系统和LBS
下面给出HMC5883L的引脚的配置:
表2-1:
引脚配置表
引脚
名称
描述
1
SCL
串行时钟-IIC总线主/从时钟
2
VDD
电源电压(2.16-3.6V)
3
NC
无连接
4
S1
连接VDDIO
5
6
7
8
SETP
置位/复位带正-S/R电容(C2)连接
9
GND
电源接地
10
C1
存储电容(C1)连接
11
12
SETC
S/R电容(C2)连接-驱动端
13
VDDIO
IO供电(1.71V-VDD)
14
15
DRDY
数据就绪,中断引脚。
内部拉高。
选项为连接。
保持250微秒的低电压时,数据被放置在数据输出寄存器。
16
SDA
串行数据-IIC总线主/从数据
2.2.2数据处理
HMC5883L是三轴磁场传感器,分别是X,Y,Z三轴,三轴正交便于测量磁场数据,对X,Y,Z坐标数据进行运算不难得出磁场方向。
HMC5883L内部拥有6个数据寄存器分别存储X,Y,Z三个方向的磁场数据。
数据输出X寄存器是两个8位寄存器,数据输出寄存器A和B。
这些寄存器储存从通道X所测量的结果。
数据输出X寄存器A储存一个来测量结果中的MSB(高位数据),数据输出X寄存器B储存一个来自测量结果中的LSB(低位数据)。
储存在这两个寄存器的值是一个16位值以二进制的补码形式存在,其范围是0XF800到0X07FF。
DXRA0至DXRA7,DXRB0至DXRB7标识出位置,DXRA和DXRB标识出在数据输出寄存器X中的位。
DXRA7和DXRB7标识出数据流的第一位。
表2-2数据输出X寄存器A和B
DXRA7
DXRA6
DXRA5
DXRA4
DXRA3
DXRA2
DXRA1
DXRA0
DXRB7
DXRB6
DXRB5
DXRB4
DXRB3
DXRB2
DXRB1
DXRB0
上图中的“0”为默认值,当下一次测量完成之后这写值会被自动覆盖。
X,Y,Z数据输出寄存器拥有一样的结构这里不再详述。
读出X,Y,Z坐标其中Z的值理论上为0,因为Z轴垂直于地磁场,此时只需对X,Y轴坐标值进行计算即可得出角度a.
角度计算公式:
a为航向角,即罗盘与磁场的方向角。
地理方向与磁场方向间还存在一个磁偏角,所以a加上当地磁偏角才为我们所需要求取的角度。
2.2.3寄存器访问
下面表格列出了寄存器及其访问。
所有地址为8bits。
表2-3寄存器列表
地址
访问
00
配置寄存器A
读/写
01
配置寄存器B
02
模式寄存器
03
数据输出XMSB寄存器
读
04
数据输出XLSB寄存器
05
数据输出ZMSB寄存器
06
数据输出ZLSB寄存器
07
数据输出YMSB寄存器
08
数据输出YLSB寄存器
09
状态寄存器
识别寄存器A
识别寄存器B
识别寄存器C
这里介绍读取和写入此装置的过程。
该装置使用地址指针来显示该寄存器地点是被读取或写入。
这些指针位置从主机发出到从机并成功获得的7位地址加1位读/写标识符。
为了尽量减少主机和装置之间的通信,无主机干预下地址指针自动更新。
寄存器指示器被读取后将自动的在目前被成功读取的寄存器的地址上加1。
地址指针本身不能通过I2C总线被读取。
任何试图去读取不存在的地址返回为0s,任何去写不存在的地址或者是未定义的bit写入定义的地址都将会被该装置予以忽略。
为将地址指针移到随机存储器位置,首先发出一个“写”到寄存器地址,在指令后不带数据位。
例如,要让地址指针指向寄存器10,发出的指令为0x3C0x0A。
2.3单片机最小系统
2.3.1430单片机与51系列单片机的比较
首先,89C51单片机是8位单片机,编程指令非常复杂,给初学者及编程人员带来很大不便。
51系列单片机有111条指令,这样多的指令在编写程序时难以熟练地掌握和应用,而且编程产生错误的概率非常高。
430系列单片机在这方面就有很大优势,430单片机仅有27条内核指令,功能强大的同时还简化了编程任务,不得不说430系列单片机在这方面的实用性之强大,也以自己突出的单周期内核指令以缩短了运行周期,加快了在实际下载仿真以及运行过程中的速度。
其次,430系列单片机的低功耗性能也是51系列单片机所不能比拟的。
51系列单片机的工作电压为5V,而430系列单片机只要3.3V电压就可以正常工作。
而且功耗低并不影响430系列单片机的运行速度,这也是工业设计当中绝大多数都使用430系列而不用51单片机的主要原因。
目前,在仪器仪表方面,尤其是可持性仪器仪表,一般都用蓄电池,便于携带,这时对单片机的低功耗要求就显得尤为重要了,430系列单片机就是以自己这个显著的优势在仪器仪表行业中地位越来越重要。
再者,89C51系列单片机由于其内部总线是8位的,其内部功能模块基本上都8位的,功能相对简单。
虽然一些基本的功能,像LED、数码管及AD转换等都可以在51系列单片机上完成,但这只局限在教学方面,工业方面特殊功能的要求不是51系列单片机所能满足的。
MSP430系列其基本架构是16位的,而且兼容8位的功能模块,在扩展更多功能的同时,51系列单片机的基础功能430也是具备的,而且运行的更快。
在工业电子设计领域,430系列单片机16位高功能更具备研发的使用价值。
最后,就是在开发工具方面。
51系列单片机虽然很据实用性,而且历史比430系列单片机更加悠久,在一系列电子论坛上,51系列单片机的开发实例也远比430多,但是51系列单片机不能在线编程,这就是它在实际研发中的重大缺陷。
430系列单片机由于引入了FLASH型程序存储器和JTAG技术,不仅使开发工具变得简便,在线编程以及价格优势都是51系列单片机所不具备的,这也是实际设计应用非常重视的一个环节[7]。
2.3.2国内430单片机开发板概况
如同所有教学开发板一样,430系列单片机的开发板也是照顾到
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