基于ARM9平臺(tái)的電子指南針的設(shè)計(jì)

摘 要： 針對(duì)指南針精度與顯示界面的問(wèn)題，在ARM9的開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，設(shè)計(jì)了一款界面美觀且能夠?qū)崟r(shí)顯示方位、溫度和時(shí)間的電子指南針。該系統(tǒng)采用了靈敏度和精度高的磁力傳感器MAG3110檢測(cè)方位，采用了智能型溫度傳感器DS18B20檢測(cè)溫度，并選擇了Linux Qt作為電子指南針圖形界面的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，指南針?lè)轿痪冗_(dá)±2°，溫度精度達(dá)±0.5 ℃，能夠使用在普通導(dǎo)航領(lǐng)域上。

關(guān)鍵詞： 方位精度； 顯示界面； 電子指南針； ARM9； 磁傳感器； 溫度傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)： TN919?34； TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）24?0114?04

Design of electronic compass based on ARM9 platform

ZHANG Xian?hai， QIAN Zhenghong， BAI Ru， ZHU Li?yao， LI Dong?liang

（Center for Integrated Spintronic Devices， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： Aiming at the accuracy and display interface of compass， an electronic compass with beautiful appearance， and functions of orientation， temperature and time real?time display was designed at the ARM9 development platform. In the system， the high?sensitivity and high?accuracy magnetic sensor MAG3110 is adopted to detect orientation， and intelligent sensor DS18B20 to measure temperature. Linux Qt is taken as the development platform of electronic compass graphical interface. The experimental results show that the azimuth accuracy of the compass can reach to [±]2°， the temperature accuracy is up to [±]0.5 ℃， and the compass can be used in common navigation field.

Keywords： bearing accuracy； display interface； electronic compass； ARM9； magnetic sensor； temperature sensor

0 引 言

指南針在我國(guó)已有悠久的歷史，作為一個(gè)重要的導(dǎo)航工具，廣泛的運(yùn)用在生活各領(lǐng)域。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，如今的指南針不僅體積小，靈敏度和精確度都已得到很大的提高，而舒適清晰，簡(jiǎn)單快捷的人機(jī)交互界面更是日益追求的目標(biāo)。本文采用一款小體積、低功耗的數(shù)字磁力計(jì)MAG3110采集地磁場(chǎng)，它采用標(biāo)準(zhǔn)IIC串行接口，輸出數(shù)據(jù)速率達(dá)80 Hz，并且可自我消除誤差，并使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它具有線路簡(jiǎn)單，體積小，測(cè)溫范圍為-55～+125 ℃，精度為±0.5 ℃。選擇這兩款數(shù)字芯片，可滿足靈敏度和精度的要求，選擇Linux Qt作為電子指南針GUI界面的設(shè)計(jì)可達(dá)到舒適清晰，美觀精巧的界面效果。

1 指南針圖形界面的選擇

現(xiàn)行比較流行的GUI有MiniGui，MicroWindows，OpenGUI，Qt/Embedded。MiniGuI是國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的圖形界面系統(tǒng)，圖形設(shè)備層次過(guò)于抽象，圖形功能不夠完善。MicroWindows源碼開(kāi)放，但其許多圖形引擎算法低下，控件或構(gòu)件的實(shí)現(xiàn)還不是很完備，系統(tǒng)整體不夠完善。OpenGUI比較適合X86平臺(tái)，內(nèi)核采用匯編實(shí)現(xiàn)，移植性不好，不支持多進(jìn)程，目前發(fā)展較緩慢。Qt/Embedded也是開(kāi)源的，其庫(kù)采用C++封裝，完全面向?qū)ο骩1]。Qt/Embedded開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)潔，界面美觀、色彩配比好，具有豐富的API，使用與Qt/Windows和Qt/X11完全一致的API接口，許多基于Qt的程序可以非常方便地移植到嵌入式設(shè)備上[2]。本文選擇Qt作為指南針GUI界面的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

2 指南針測(cè)量原理

本文設(shè)計(jì)的是二維電子指南針，其數(shù)學(xué)模型如圖1所示。x軸與指南針向前移動(dòng)方向重合，y軸與指南針橫向方向重合，在不考慮磁傾角的情況下，地球磁場(chǎng)水平面分布，即只有圖中h磁北方向，因此z軸感測(cè)到的磁場(chǎng)為0。[Hx]，[Hy]分別為水平面兩個(gè)軸感測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度分量。

定義指南針向前移動(dòng)的方向（x軸方向）與磁北方向的夾角為地磁航向角β，其與地理北極的夾角為地理航向角Ψ，由圖1可知Ψ=β[±]γ，γ為磁偏角，已知磁偏角，求出地磁航向角β即可求得指南針的地理航向角。利用磁傳感器檢測(cè)到的[Hx]，[Hy]按公式：

[β=arctanHxHy]

可求得地磁航向角[3?6]。

圖1 測(cè)量原理圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件框架設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框架如圖2所示，采用ARM9作為處理器，使用MINI2440作為實(shí)驗(yàn)板，外加溫度傳感器DS18B20和磁力傳感器MAG3110模塊電路，可借助ARM9開(kāi)發(fā)平臺(tái)豐富的外圍接口資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)與調(diào)試。如其LCD接口作為顯示模塊，JTAG接口作為調(diào)試模塊，USB接口作上傳或下載程序模塊等。

圖2 硬件設(shè)計(jì)框架

3.2 接口電路

3.2.1 磁力傳感器MAG3110接口電路

MAG3110是款數(shù)字芯片，采用標(biāo)準(zhǔn)I2C串行接口，其電路如圖3所示，SCL和SDA為I2C串行接口的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線。MAG3110內(nèi)部集成了信號(hào)處理電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，相比其他模擬芯片，其精度更高，誤差更小。

圖3 MAG3110接口電路

3.2.2 溫度傳感器DS18B20接口電路

DS18B20是單線器件，接口電路很簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)輸入輸出就一根線，其電路如圖4所示，DQ為數(shù)據(jù)輸入輸出線。

圖4 DS18B20接口電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件框架

如圖5所示為系統(tǒng)的軟件框架，在底層驅(qū)動(dòng)添加了溫度傳感器DS18B20和磁傳感器MAG3110的驅(qū)動(dòng)，在應(yīng)用層，分別打開(kāi)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)采集它們的數(shù)據(jù)，在Qt環(huán)境下將DS18B20和MAG3110的數(shù)據(jù)處理并顯示。

圖5 系統(tǒng)軟件框架

4.2 軟件模塊的實(shí)現(xiàn)

4.2.1 溫度傳感器模塊實(shí)現(xiàn)

溫度傳感器底層采用字符驅(qū)動(dòng)框架實(shí)現(xiàn)，其讀寫(xiě)操作在系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)read，write中實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用程序打開(kāi)其設(shè)備節(jié)點(diǎn)，就可以讀取底層溫度傳感器的數(shù)據(jù)，其實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。

4.2.2 磁傳感器模塊實(shí)現(xiàn)

磁傳感器底層驅(qū)動(dòng)采用I2C驅(qū)動(dòng)框架。其讀寫(xiě)操作在系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)read，write中實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用層打開(kāi)其設(shè)備節(jié)點(diǎn)就可讀取數(shù)據(jù)，其實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖6。

圖6 溫度傳感器軟件實(shí)現(xiàn)流程

4.3 界面設(shè)計(jì)

4.3.1 QWT5.0.2庫(kù)移植

如圖7所示為指南針的界面。

圖7 指南針界面

Qt開(kāi)發(fā)環(huán)境下沒(méi)有這樣的控件，需要移植包含此控件的庫(kù)（QWT5.0.2）。本設(shè)計(jì)需要移植到X86和ARM9平臺(tái)。如圖8所示，Qwtwidgets為移植到X86平臺(tái)上的庫(kù)，其中包括許多常用的儀表控件，其中QwtCompass控件就是圖7所示的控件。

圖8 QWT5.0.2庫(kù)

4.3.2 界面實(shí)現(xiàn)

信號(hào)和槽機(jī)制是 Qt 的核心機(jī)制，是一種高級(jí)接口，應(yīng)用于對(duì)象之間的通信，是 Qt 區(qū)別于其他工具包的重要地方。電子指南針的界面設(shè)計(jì)先把所需控件布局好，然后通過(guò)信號(hào)與槽函數(shù)，使布局好的界面能夠運(yùn)行起來(lái)。

本設(shè)計(jì)中信號(hào)函數(shù)所對(duì)應(yīng)的按鈕控件QPushButtom類(lèi)分為開(kāi)始測(cè)試和結(jié)束測(cè)試兩個(gè)發(fā)射信號(hào)的按鈕。當(dāng)點(diǎn)擊開(kāi)始測(cè)試的時(shí)候，信號(hào)相應(yīng)的槽函數(shù)所對(duì)應(yīng)的控件包括溫度顯示和方位顯示的控件QLCDNumber類(lèi)型，時(shí)間顯示槽函數(shù)對(duì)應(yīng)的控件QtimeEdit類(lèi)型以及方位指示槽函數(shù)所對(duì)應(yīng)的控件QWTCompass類(lèi)型都開(kāi)始顯示數(shù)據(jù)。當(dāng)點(diǎn)擊結(jié)束測(cè)試這個(gè)信號(hào)函數(shù)的控件時(shí)，電子指南針就不顯示數(shù)據(jù)。

5 軟件抗干擾設(shè)計(jì)

軟件抗干擾主要是消除硬磁干擾和軟磁干擾的影響。軟磁干擾算法較為復(fù)雜，且效果有限，一般實(shí)驗(yàn)時(shí)盡量讓指南針不受外界磁場(chǎng)干擾。本文主要介紹消除硬磁干擾的補(bǔ)償方法。二維指南針在沒(méi)有誤差的情況下，x軸和y軸輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以表示為極坐標(biāo)系下的一個(gè)圓。當(dāng)有硬磁干擾時(shí)，此圓偏離圓的中心。校準(zhǔn)方法為：將指南針在水平面上選擇一周，記錄下x，y方向磁場(chǎng)強(qiáng)度的最大值[xmax]，[ymax]和最小值[xmin]，[ymin]，校準(zhǔn)偏移量為：

[xoffset=（xmax+xmin）2]

[yoffset=（ymax+ymin）2]

每次測(cè)量方位時(shí)，都應(yīng)將x，y方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小減去相應(yīng)的校準(zhǔn)偏移量即可校準(zhǔn)硬磁干擾[7?10]。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

編譯好ARM版本的應(yīng)用程序后，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS）、USB等方式拷貝到mini2440開(kāi)發(fā)板上執(zhí)行，程序運(yùn)行效果如圖9所示。

圖9 電子指南針運(yùn)行界面

6.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用補(bǔ)償校準(zhǔn)后，對(duì)電子指南針進(jìn)行了數(shù)據(jù)測(cè)量。先將標(biāo)準(zhǔn)羅盤(pán)水平放置，按每30°的間隔劃分13個(gè)點(diǎn)。然后將指南針?lè)謩e對(duì)準(zhǔn)0°的點(diǎn)，依次測(cè)量13個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 電子指南針測(cè)量數(shù)據(jù)

6.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本文設(shè)計(jì)的是二維電子指南針，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知指南針精確度為[±]2°。影響精度的原因主要是存在系統(tǒng)誤差和環(huán)境磁場(chǎng)的影響，但能夠滿足精確度要求不是特別高的場(chǎng)合。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文主要是實(shí)現(xiàn)了一款基于ARM9平臺(tái)的二維電子指南針，采用Qt界面設(shè)計(jì)顯示溫度，方位，時(shí)間等信息，對(duì)Linux Qt界面設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)的探討，分析了指南針精度受影響的情況，給出了一種軟件補(bǔ)償算法以提高精度。本文設(shè)計(jì)的電子指南針可作為其他的Linux產(chǎn)品的接口，具有一定的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

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