用ARM9和MMC212xMG設計數字尋北儀
國防科技大學機電工程與自動化學院 高軍哲 潘孟春 田武剛 胡佳飛
摘要： 為了保證尋北儀的優越性能，其控制處理模塊采用嵌入式系統。嵌入式系統一般應用在掌上儀器、便攜式系統等設計中，具有便利靈活、功能強大、嵌入性強等特點，可以實現運算、處理、存儲和控制等功能。嵌入式系統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。本文設計的尋北儀采用 S3C2440A微處理器和WinCE 4.2操作系統。
Abstract：
Key words :
地磁場是地球系統的基本物理場，人們從古代就開始利用地磁信息進行導航。地磁場為航空、航天、航海提供了天然的參考系，可應用于航天器或艦船的定位、定向以及姿態控制。利用地球磁場空間分布的磁導航技術簡便高效、性能可靠、抗干擾能力強，一直是世界發達國家不可缺少的基本定位手段。
1 系統方案
為了保證尋北儀的優越性能，其控制處理模塊采用嵌入式系統。嵌入式系統一般應用在掌上儀器、便攜式系統等設計中，具有便利靈活、功能強大、嵌入性強等特點，可以實現運算、處理、存儲和控制等功能。嵌入式系統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。本文設計的尋北儀采用 S3C2440A微處理器和WinCE 4.2操作系統。
1.1 MMC212xMG地磁傳感器
MMC212xMG是基于AMR(Anisotropic MagnetoResistive，各向異性磁阻)設計的2軸MEMS(Microelectromechanical System，微機電系統)地磁傳感器，集成信號處理模塊和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轉換和定時器。該傳感器可以測量的磁感應強度的范圍為-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計數／Gs。
1.2 S3C2440A微處理器
Samsung公司的S3C2440A是一款基于ARM920T內核的32位RISC嵌入式微處理器。其主頻為400MHz，采用5級流水線結構，具有高速緩存和內存管理單元；提供豐富的外同資源，包括130個通用I／O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
WinCE是微軟推出的嵌入式實時多任務操作系統。它延伸了臺式機Windows操作系統的外部特征，在內部用嵌入式實時操作系統的技術來實現 Win32 API的子集，以簡潔、高效的完全搶占式多任務為核心，支持強大的通信和圖形顯示功能；而且它的平臺定制工具PlatformBuilder和應用軟件開發工具Embedded Visual C++都是非常強大實用的開發工具，為嵌人式便攜式儀表的軟件開發提供了一個標準的平臺。
1.4 方案設計
尋北儀的系統框圖如圖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嵌入式操作系統環境下，開發數據分析處理和顯示程序。
2 硬件設計
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，系統統一采用+3.3 V供電；同時，將+3.3 V分為模擬電源和數字電源，以提高系統的抗干擾能力。
MMC212xMG的引腳功能如表1所列。引腳1和8為工廠測試引腳，使用時可以不連接。引腳2連接10μF電容，引腳4和5之間連接1μF電容，實現芯片的設置／復位功能。引腳3和7分別為芯片的模擬電源和數字電源。引腳6為芯片的地線引腳。引腳9和10為I2C通信的時鐘引腳和數據引腳，上拉到數字電源。
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，進行讀寫操作。
3 軟件設計
在嵌入式操作系統WinCE 4.2環境下，采用EVC開發地磁測量信息采集、處理和顯示程序，主要包括基于I2C總線的測量數據讀取、地磁測量信號的數據處理和虛擬儀表界面設計。
3.1 基于I2C總線的測量數據讀取
為了便于在I2C總線通信中連接多個地磁傳感器，MMC212xMG有4種不同的器件地址(工廠定義)，分別為60H、64H、68H和6CH。本系統中所用到的器件地址為60H。MMC212xMG的內部寄存器有5個字節，第1個字節為器件控制命令寄存器，可以對其設定命令值來啟動相應的動作。各命令控制字定義如表2所列。
內部寄存器的第2和3個字節為X軸磁場測量值，第4和5個字節為Y軸磁場測量值。啟動MMC212xMG進行測量的命令流程如圖3所示。
在啟動測量命令完成后，延時10 ms，讀取測量數據。其流程如圖4所示。
3.2 地磁測量信號的數據處理
為了消除顯示上的抖動，可以采用均值濾波，即采集5次地磁測量信號，求出方位角后，取平均值送顯示。
為了提高指向的精度，可采取非線性校準技術。以45°為間隔，讓地磁傳感器模塊分別指向正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西和西北8個方向，對這8個方向的地磁方位角測量多次取平均值后，存儲作為校準表。在實際測量過程中，獲得測量數據后，利用校準值對其進行線性插值，求取方位角。
3.3虛擬儀表界面設計
尋北儀的顯示界面模擬機械式指南針進行設計，以達到顯示直觀的效果。EVC提供了豐富的界面繪圖API函數，可以輕易實現虛擬儀表界面的設計。軟件平臺在運行過程中，采用多線程技術實時讀取地磁傳感器的測量信息，經過數據處理后送虛擬儀表界面顯示。
4 系統演示
尋北儀實物圖如圖5所示。系統由兩部分組成：由S3C2440A構成的嵌入式系統模塊和由MMC212xMG構成的地磁傳感器模塊。圖5(a)為地磁傳感器模塊指向北的效果圖，圖5(b)為指向任意方位的效果圖。
在實際使用過程中，可以將嵌入式系統模塊和地磁傳感器模塊安裝成為一個整體，構成便攜式尋北儀；也可以分開安裝，嵌入式系統模塊同時獲取其他傳感器 (如加速度傳感器、GPS傳感器等)的信息，構成組合導航系統。
結 語
本文采用嵌入式微處理器S3C2440A和MEMS地磁傳感器MMC212xMG設計了一款數字尋北儀。該系統與機械式指南針相比，具有人機界面友好、不受慣性影響、數據可存儲等優點。經過長時間運行測試，尋北儀工作穩定，可以滿足高精度尋北要求。
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