采用ARM9和MMC212xMG设计的数字寻北仪

引 言

地磁场是地球系统的基本物理场，人们从古代就开始利用地磁信息进行导航。地磁场为航空、航天、航海提供了天然的参考系，可应用于航天器或舰船的定位、定向以及姿态控制。利用地球磁场空间分布的磁导航技术简便高效、性能可靠、抗干扰能力强，一直是世界发达国家不可缺少的基本定位手段。

MMC212xMC是美新公司推出的一款集成信号处理模块和I2C总线的2轴MEMS地磁传感器。本文设计一种基于嵌入式系统ARM9和地磁传感器MMC212xMG的数字寻北仪。

1 系统方案

为了保证寻北仪的优越性能，其控制处理模块采用嵌入式系统。嵌入式系统一般应用在掌上仪器、便携式系统等设计中，具有便利灵活、功能强大、嵌入性强等特点，可以实现运算、处理、存储和控制等功能。嵌入式系统包括硬件和软件两部分，即嵌入式微处理器和嵌入式操作系统。本文设计的寻北仪采用S3C2440A微处理器和WinCE 4.2操作系统。

1.1 MMC212xMG地磁传感器

MMC212xMG是基于AMR(Anisotropic MagnetoResistive，各向异性磁阻)设计的2轴MEMS(Microelectromechanical System，微机电系统)地磁传感器，集成信号处理模块和I2C总线(400 kHz快速模式)，可以方便地与其他控制器通信，而不需要A／D转换和定时器。该传感器可以测量的磁感应强度的范围为-2～+2 Gs(1 Gs=10^-4T)，在3.0 V工作电压和25℃的室温条件下，其灵敏度为512计数／Gs。

1.2 S3C2440A微处理器

Samsung公司的S3C2440A是一款基于ARM920T内核的32位RISC嵌入式微处理器。其主频为400MHz，采用5级流水线结构，具有高速缓存和内存管理单元；提供丰富的外同资源，包括130个通用I／O接口和24路外部中断源、NAND Flash接口、SDRAM接口、SD卡接口、100M以太网接口、USB接口、触摸屏接口、CMOS图像传感器接口、SPI接口、I²C接口、I²S接口、PWM功能、内嵌的LCD控制器、8通道的10位ADC、电源管理等。

1.3 WinCE 4.2操作系统

WinCE是微软推出的嵌入式实时多任务操作系统。它延伸了台式机Windows操作系统的外部特征，在内部用嵌入式实时操作系统的技术来实现Win32 API的子集，以简洁、高效的完全抢占式多任务为核心，支持强大的通信和图形显示功能；而且它的平台定制工具PlatformBuilder和应用软件开发工具Embedded Visual C++都是非常强大实用的开发工具，为嵌人式便携式仪表的软件开发提供了一个标准的平台。

1.4 方案设计

寻北仪的系统框图如图1所示。以S3C2440A为控制核心，通过I2C总线和地磁传感器MMC212xMG通信。在WinCE 4.2嵌入式操作系统环境下，开发数据分析处理和显示程序。

2 硬件设计

MMC212xMG的工作电源范围较宽，其中模拟电路工作电源V_DA的范围为2.7～5.25 V，数字电路工作电源V_DD的范围为1.62～5.25 V。S3C2440A的工作电源为3.3 V，为了保证I²C总线的可靠通信，系统统一采用+3.3 V供电；同时，将+3.3 V分为模拟电源和数字电源，以提高系统的抗干扰能力。

MMC212xMG的引脚功能如表1所列。引脚1和8为工厂测试引脚，使用时可以不连接。引脚2连接10μF电容，引脚4和5之间连接1μF电容，实现芯片的设置／复位功能。引脚3和7分别为芯片的模拟电源和数字电源。引脚6为芯片的地线引脚。引脚9和10为I2C通信的时钟引脚和数据引脚，上拉到数字电源。

MMC212xMG的工作电路如图2所示，I²C总线引脚9和10连接至S3C2440A。在I2C通信过程中，S3C2440A为主器件，MMC212xMG为从器件，主器件通过从器件地址寻址和特定的从器件通信，进行读写操作。

3 软件设计

在嵌入式操作系统WinCE 4.2环境下，采用EVC开发地磁测量信息采集、处理和显示程序，主要包括基于I2C总线的测量数据读取、地磁测量信号的数据处理和虚拟仪表界面设计。

3.1 基于I²C总线的测量数据读取

为了便于在I2C总线通信中连接多个地磁传感器，MMC212xMG有4种不同的器件地址(工厂定义)，分别为60H、64H、68H和6CH。本系统中所用到的器件地址为60H。MMC212xMG的内部寄存器有5个字节，第1个字节为器件控制命令寄存器，可以对其设定命令值来启动相应的动作。各命令控制字定义如表2所列。

内部寄存器的第2和3个字节为X轴磁场测量值，第4和5个字节为Y轴磁场测量值。启动MMC212xMG进行测量的命令流程如图3所示。

在启动测量命令完成后，延时10 ms，读取测量数据。其流程如图4所示。

3.2 地磁测量信号的数据处理

为了消除显示上的抖动，可以采用均值滤波，即采集5次地磁测量信号，求出方位角后，取平均值送显示。

为了提高指向的精度，可采取非线性校准技术。以45°为间隔，让地磁传感器模块分别指向正北、东北、正东、东南、正南、西南、正西和西北8个方向，对这8个方向的地磁方位角测量多次取平均值后，存储作为校准表。在实际测量过程中，获得测量数据后，利用校准值对其进行线性插值，求取方位角。

3.3虚拟仪表界面设计

寻北仪的显示界面模拟机械式指南针进行设计，以达到显示直观的效果。EVC提供了丰富的界面绘图API函数，可以轻易实现虚拟仪表界面的设计。软件平台在运行过程中，采用多线程技术实时读取地磁传感器的测量信息，经过数据处理后送虚拟仪表界面显示。

4 系统演示

寻北仪实物图如图5所示。系统由两部分组成：由S3C2440A构成的嵌入式系统模块和由MMC212xMG构成的地磁传感器模块。图5(a)为地磁传感器模块指向北的效果图，图5(b)为指向任意方位的效果图。

在实际使用过程中，可以将嵌入式系统模块和地磁传感器模块安装成为一个整体，构成便携式寻北仪；也可以分开安装，嵌入式系统模块同时获取其他传感器(如加速度传感器、GPS传感器等)的信息，构成组合导航系统。

结 语

本文采用嵌入式微处理器S3C2440A和MEMS地磁传感器MMC212xMG设计了一款数字寻北仪。该系统与机械式指南针相比，具有人机界面友好、不受惯性影响、数据可存储等优点。经过长时间运行测试，寻北仪工作稳定，可以满足高精度寻北要求。