基于ARM9和MMC212xMG的數(shù)字尋北儀設(shè)計(jì)

摘要：利用地磁進(jìn)行尋北是一項(xiàng)重要的導(dǎo)航技術(shù)。本文設(shè)計(jì)了一種基于美新公司MEMS地磁傳感器MMC212xMG的數(shù)字尋北儀，采用S3C2440A微處理器實(shí)時(shí)讀取傳感器的地磁測(cè)量信息，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和校準(zhǔn)后送虛擬儀表界面顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能優(yōu)越，并具有較高的尋北精度。

關(guān)鍵詞：地磁；數(shù)字尋北；ARM9；MMC212xMG；WinCE；S3C2440A

引言

地磁場(chǎng)是地球系統(tǒng)的基本物理場(chǎng)，人們從古代就開始利用地磁信息進(jìn)行導(dǎo)航。地磁場(chǎng)為航空、航天、航海提供了天然的參考系，可應(yīng)用于航天器或艦船的定位、定向以及姿態(tài)控制。利用地球磁場(chǎng)空間分布的磁導(dǎo)航技術(shù)簡(jiǎn)便高效、性能可靠、抗干擾能力強(qiáng)，一直是世界發(fā)達(dá)國(guó)家不可缺少的基本定位手段。

MMC212xMG是美新公司推出的一款集成信號(hào)處理模塊和I2C總線的2軸MEMS地磁傳感器。本文設(shè)計(jì)一種基于嵌入式系統(tǒng)ARM9和地磁傳感器MMC212xMG的數(shù)字尋北儀。

1 系統(tǒng)方案

為了保證尋北儀的優(yōu)越性能，其控制處理模塊采用嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般應(yīng)用在掌上儀器、便攜式系統(tǒng)等設(shè)計(jì)中，具有便利靈活、功能強(qiáng)大、嵌入性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算、處理、存儲(chǔ)和控制等功能。嵌入式系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，即嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的尋北儀采用S3C2440A微處理器和WinCE 4．2操作系統(tǒng)。

1．1 MMC212xMG地磁傳感器

MMC212xMG是基于AMR(Anisotropic MagnetoResistive，各向異性磁阻)設(shè)計(jì)的2軸MEMS(Microelec-tromechanical System，微機(jī)電系統(tǒng))地磁傳感器，集成信號(hào)處理模塊和I2C總線(400 kHz快速模式)，可以方便地與其他控制器通信，而不需要A／D轉(zhuǎn)換和定時(shí)器。該傳感器可以測(cè)量的磁感應(yīng)強(qiáng)度的范圍為-2～+2 Gs(1 Gs=10-4T)，在3．0 V工作電壓和25℃的室溫條件下，其靈敏度為512計(jì)數(shù)／Gs。

1．2 S3C2440A微處理器

Samsung公司的S3C2440A是一款基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC嵌入式微處理器。其主頻為400MHz，采用5級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，具有高速緩存和內(nèi)存管理單元；提供豐富的外圍資源，包括130個(gè)通用I／0接口和24路外部中斷源、NAND Flash接口、SDRAM接口、SD卡接口、100M以太網(wǎng)接口、USB接口、觸摸屏接口、CMOS圖像傳感器接口、SPI接口、I2C接口、I2S接口、PWM功能、內(nèi)嵌的LCD控制器、8通道的10位ADC、電源管理等。

1．3 WinCE 4．2操作系統(tǒng)

WinCE是微軟推出的嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。它延伸了臺(tái)式機(jī)Windows操作系統(tǒng)的外部特征，在內(nèi)部用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)Win32 API的子集，以簡(jiǎn)潔、高效的完全搶占式多任務(wù)為核心，支持強(qiáng)大的通信和圖形顯示功能；而且它的平臺(tái)定制工具latformBuitder和應(yīng)用軟件開發(fā)工具Embedded Visual C++都是非常強(qiáng)大實(shí)用的開發(fā)工具，為嵌入式便攜式儀表的軟件開發(fā)提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)。

1．4 方案設(shè)計(jì)

尋北儀的系統(tǒng)框圖如圖1所示。以S3C2440A為控制核心，通過I2C總線和地磁傳感器MMC212xMG通信。在WinCE 4．2嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境下，開發(fā)數(shù)據(jù)分析處理和顯示程序。

2 硬件設(shè)計(jì)

MMC212xMG的工作電源范圍較寬，其中模擬電路工作電源VDA的范圍為2．7～5．25 V，數(shù)字電路工作電源VDD的范圍為1.62～5.25 V。S3C2440A的工作電源為3．3 V，為了保證I2C總線的可靠通信，系統(tǒng)統(tǒng)一采用+3．3 V供電；同時(shí)，將+3．3 V分為模擬電源和數(shù)字電源，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

MMC212xMG的引腳功能如表1所列。引腳1和8為工廠測(cè)試引腳，使用時(shí)可以不連接。引腳2連接lOμF電容，引腳4和5之間連接1μF電容，實(shí)現(xiàn)芯片的設(shè)置／復(fù)位功能。引腳3和7分別為芯片的模擬電源和數(shù)字電源。引腳6為芯片的地線引腳。引腳9和10為I2C通信的時(shí)鐘引腳和數(shù)據(jù)引腳，上拉到數(shù)字電源。

MMC212xMG的工作電路如圖2所示，I2C總線引腳9和10連接至S3C2440A。在I2C通信過程中，S3C2440A為主器件，MMC212xMG為從器件，主器件通過從器件地址尋址和特定的從器件通信，進(jìn)行讀寫操作。

3 軟件設(shè)計(jì)

在嵌入式操作系統(tǒng)WinCE 4．2環(huán)境下，采用EVC開發(fā)地磁測(cè)量信息采集、處理和顯示程序，主要包括基于I2C總線的測(cè)量數(shù)據(jù)讀取、地磁測(cè)量信號(hào)的數(shù)據(jù)處理和虛擬儀表界面設(shè)計(jì)。

3．1 基于I2C總線的測(cè)量數(shù)據(jù)讀取

為了便于在I2C總線通信中連接多個(gè)地磁傳感器，MMC212xMG有4種不同的器件地址(工廠定義)，分別為60H、64H、68H和6CH。本系統(tǒng)中所用到的器件地址為60H。MMC212xMG的內(nèi)部寄存器有5個(gè)字節(jié)，第1個(gè)字節(jié)為器件控制命令寄存器，可以對(duì)其設(shè)定命令值來啟動(dòng)相應(yīng)的動(dòng)作。各命令控制字定義如表2所列。