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，指南針方位精度達(dá)±2°，溫度精度達(dá)±0.5℃，能夠使用在普通導(dǎo)航領(lǐng)域上。

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S18B20，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(mǎn)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。Open GUI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?。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。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=arctan(Hx/Hy)

可求得地磁航向角。

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MAG31 10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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。