2024年4月21日发(作者：)

范例三 电子罗盘

一．系统概述

本系统的目标是设计一个两轴数字罗盘系统。对其所指的方向进行测量。当系统工作时，

系统中的磁阻传感器(HMC1022)对所在地的地磁进行A/D采集，然后对采集量进行处理，将

所在的方向相对正北的角度通过串口发送给高端。本系统可工作在正常状态和标定状态。

1 正常状态

在该状态下，系统对地磁进行正常采集后进行校准，然后通过串口将计算的方向角发送

出来。

2 标定状态

在该状态下，系统对周围的磁场进行采集，以此为参考，推导出校准参数。退出该状态

时，将校准参数保存起来，以便用于对正常状态下采集的数据进行偏置校准。

二．系统输入/输出分析

两轴数字罗盘系统的系统框图如图6-27所示。

磁阻传感器

2

2

M

C

U

复位置位电路

PC机

磁阻传感器

图6-27 数字罗盘系统框图

从系统框图中可以看出，两轴数字罗盘系统大体可以分为模拟量输入、开关量输出以及

通信量 3 类。

模拟量输入分析如表6-5所示。

表6-5 数字罗盘系统模拟量输入

类型

模拟量

输入

编号

1

2

名称

A轴采集量

B轴采集量

命名

A_data

B_data

来源

磁阻传感器

磁阻传感器

备注

范围为-10mV～+10mV

范围为-10mV～+10mV

开关量输出分析如表6-6所示

表6-6 数字罗盘系统开关量输出

类型

开关量

输入

编号

1

名称

复位置位信号

命名

R/S

控制对象

磁阻传感器

备注

对HMC1022进行复位置位，0.5A～4A

通信量分析如表6-7所示。

表6-7 数字罗盘系统通信量

编号 名称 命名 备注

1

2

串口发送数据

串口接受数据

TxD

RxD

向PC端发送数据

接收PC端发来的数据

三．硬件设计

1 芯片选型

选取芯片时应该注意：不要将所有的I/O口用满，应当预留一定的输入输出端口，以便

扩展需要。通过分析数字罗盘系统的输入量和输出量，发现所需的I/O口较少，为5个。但考

虑到该系统对A/D采集精度要求较高并且要求有SCI模块以便于通信，故考虑该系统采用具

有10BitA/D采集和SCI模块的MR8。

2 设计框图

数字罗盘系统的硬件框图如图6-28所示，下面将分析A/D采集中的电压放大模块、

HMC1022(磁阻传感器)的置位/复位电路和SCI(RS-232)通信模块。

out+(A)

out-(A)

out+(B)

out-(B)

s/r+(A)

s/r+(B)

电压放大

电路

MR8

ATD0-1/PTA0-1

H

M

C

1

0

2

2

置位/复位

电路

PTB3/TCH0A

PTB1/TxD

SCI通信

PTB0/RxD

PC机

图6-28 基于MR8的数字罗盘系统框图

3 MCU引脚汇总列表

数字罗盘系统中MR8的I/O口具体分配情况如表6-8所示。

表6-8 MR8的I/O分配

分类

1

2

3

名称 编号

AD

模块

R/S

模块

SCI

模块

1

2

3

4

5

MCU引脚

ATD0/PTA0(25)

ATD1/PTA1(26)

PTB3/TCH0A(19)

PTB1/TxD(17)

PTB0/RxD(16)

目标对象

HMC1022放大后的信号输入(A)

HMC1022放大后的信号输入(B)

IRF7105.G1,G2

MAX3232.T1IN

MAX3232.R1OUT

使HMC1022获得较高

的灵敏度

利用MAX3232将TTL

电平转换为RS-232电平

说明

获得磁阻传感器的信号

4 模块硬件分析及设计

(1) A/D采集模块

在该模块中，使用MR8内部的A/D模块对HMC1022产生的两路电压采集。考虑到在地

球磁场下HMC1022输出的电压范围在－5mv～5mv之间，对于如此小的电压，模数转换器无

法准确转换，因此需要对其输出电压进行放大。在该放大电路中使用了AD公司的AMP04。

其输出公式为Vout=(Vin+ - Vin-)*Gain+Vref，其中Vout为放大后输出的电压，Vin+ 、Vin-为

HMC1022产生信号，Gain为放大倍数，Vref为3.3V。考虑到A/D采集信号最大为5V，决定将

放大倍数设为500。又有AMP04的放大倍数Gain＝10K/R，所以在本系统中取R＝200Ω。具

体的信号放大电路如图6-29所示。

(2) HMC1022复位/置位

磁阻传感器所处的磁场并非纯净磁场，不可避免的会收到来自外界磁场的影响。如果磁

阻传感器长时间受到外部磁场的影响，会导致其灵敏度下降。环境中的强磁场(大于5Gauss

时)会导致磁阻传感器输出信号变异，为了消除这种影响并使输出信号达到最佳，就需要利

用传感器中的用来置位或复位的两个合金带来消除剩余磁场。具体是对集成在芯片内部的置

位/复位合金带加以3～5安培的脉冲电流，这样就可以重新校准或反置传感器内的磁敏元件。

电路中采用MOS管IRF7105产生置位/复位电流。图6-30给出了IRF7105的引脚。

引脚含义简要说明如下：

S1（1脚）：地（GND）

S1

D1

1 8

S2（3脚）：正电源端，接＋5V

D1

G1 2 7

G1（2脚）：使能N-Channel

D2

S2 3 6

G2（4脚）：使能P-Channel

D2

G2 4 5

D1（7、8脚）：N-Channel,产生电流

D2（5、6脚）：P-Channel,产生电流

图6-31是本系统所采用的一种置位/复位电路。

图6-30 IRF7105的管脚

图6-31 HMC的支撑及置位/复位电路

(3) SCI(RS-232)通信模块

由于MCU的SCI模块输出及接收电平为TTL电平，而RS-232总线规定的电平为RS-232电

平，两者不一致。因此要用RS-232总线进行串行通信，就需要外接电路实现电平转换。在

该系统中使用目前使用比较多的MAX232。该芯片使用单一＋5V电源供

电实现电平转换。图6-32给出了MAX232的引脚。

引脚含义简要说明如下：

Vcc（16脚）：正电源端，一般接+5V

GND（15脚）：地

VS+（2脚）：VS+=2Vcc-1.5V

VS-（6脚）：VS-=-2Vcc-1.5V

C2+、C2-（4、5脚）：一般接1μF的电容

C1+、C1-（1、3脚）：一般接1μF的电容

输入输出引脚分两组，基本含义见表6-9所示。在实际使用时，若只要一路，可使用其

中任意一组。

在本系统中，使用了表6-9中的第一组来实现电平转换，具体电路图如图6-33所示。

表6-9 MAX232芯片输入输出引脚分类与基本接法

组别

1

2

TTL电平引脚

11

12

10

9

方向

输入

输出

输入

输出

典型接口

接MCU的TxD

接MCU的RxD

同上

232电平引脚

13

14

8

7

方向

输入

输出

输入

输出

典型接口

连接到接口与其它

设备通过232相接

同上

图6-33 SCI电平转换电路

四．软件设计

1 编写硬件驱动程序注意点

① 硬件驱动程序的文件数量(.h，.c)应该与划分的硬件模块个数一致，一个硬件模块对

应一个H文件和一个C文件。

② 一个C文件中可以包含若干个函数，所有对外函数必须在H文件中声明，仅在该文件

内部调用的函数就在该文件中声明与实现。

③ 一个与硬件相关的C文件，头部是说明该文件对外的函数，可以对外的函数按照头

部说明的顺序放在最前面，每个函数头的说明要有足够的使用信息。

④ 汇编中，原则上先用A，HX作为函数入口，不够用再考虑用HX指向内存地址。C中，

所有子程序不得用全局变量作为出口。

⑤ 当对划分好的模块编写硬件驱动程序时，要切记不能干预该模块未用到的引脚。

2 各模块头文件

#include "GP32C.H" //MCU头文件

#include "DataType.H" //数据类型头文件

#define COCOBit 7 //转换完成标志位

INT8U advalue(INT8U channel); //获取一路A/D转换

INT8U admid(INT8U channel); //获取中值滤波A/D转换

INT8U adave(INT8U n, INT8U channel); //获取均值滤波A/D转换

#include "GP32C.H" //MCU头文件

#define ReSendStatusR SCS1 //SCI状态寄存器

#define ReTestBit 5 //接收缓冲区满标志位

#define SendTestBit 7 //发送缓冲区空标志位

#define ReSendDataR SCDR //数据寄存器

//串行接收与发送函数声明

extern void SCIInit(void);

extern INT8U SCIRe1(INT8U *p); //接收1字节

extern INT8U SCIReN(INT8U n,INT8U ch[]); //接收n字节

extern void SCISend1(INT8U o); //发送1字节

extern void SCISendN(INT8U n,INT8U ch[]);//发送n字节

1 AD.h

2 SCI.h

3 误差补偿算法

在该系统的使用中，系统误差主要表现在两方面：一种是对传感器零位的影响；另一种

是其两轴灵敏度不一致的影响。

(1) 零位误差

零位误差是由于A/D采集到电压在放大时加上了Vref，同时，在实际环境中，软磁场的

影响使得A/D的输出并非关于原点对称，而是发生了坐标偏移，如图6-34所示。这样就需要

对采样值进行一定的补偿，使其恢复到理想状态，如图6-35所示。

对于该误差的消除，可以如下方法：

在水平状态下，将传感器旋转一圈，测出X、Y轴的最大和最小值，通过计算其新的原

点，从而使以后采集的值处于所计算新原点的坐标轴中。

(2) 灵敏度误差

当X轴和Y轴的灵敏度不一致时，这时理想的圆会变为一个椭圆。可以先求出K＝（Xmax

－Xmin）/(Ymax-Ymin)，假设以X为基准,那么：X ＝ Xread ，Y＝YreadK。

这样就取得比较理想的值，可以计数出方位了。

五．小结

通过一个具体的练习，可以了解到设计一个项目的流程：

首先，项目进行需求分析，分析出该系统的模拟量输入、开关量输入、模拟量输出、开

关量输出以及通信等方面的信息；

第二步、根据分析出的输入/输出量选择合适的芯片；

第三步、分析系统的各个模块，选择各个模块的芯片并画出对应的原理图；

第四步、写出各个模块的驱动程序及功能子程序，并测试；

最后，将各个功能子程序合成并测试。通过这些步骤，我们才有可能可以做好一个项目。