基于LSM303DLH的磁羅經(jīng)傳感器設(shè)計(jì)

樓然苗，胡佳文

（浙江海洋學(xué)院公共實(shí)驗(yàn)中心、網(wǎng)絡(luò)中心，浙江舟山 316004）

目前船用羅經(jīng)主要有電羅經(jīng)和磁羅經(jīng)，電羅經(jīng)價(jià)格在10萬元左右，精度較高但啟動時(shí)間長。而機(jī)械平衡式指針磁羅經(jīng)價(jià)格一般在2 000元左右，精度一般。機(jī)械平衡式指針磁羅經(jīng)作為低價(jià)而性能穩(wěn)定的船用設(shè)備得到了許多小型貨船及漁船的配置應(yīng)用，由于磁羅經(jīng)通常安裝在固定的地方，航行時(shí)船長使用查看較為不便。使用LSM303DLH制作的磁羅經(jīng)傳感器是通過讀取磁羅經(jīng)上磁針的磁場與兩個(gè)互相垂直軸傳感器輸出的數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出航船的航行磁北偏角信息，從串口傳送到數(shù)字顯示設(shè)備上，以方便船長查看，提高了航行的安全系數(shù)[1-10]。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

圖1為硬件電路原理框圖。電路主要由微處理器、地磁傳感器、RS485接口電路、七段發(fā)光二極管顯示器及電源變換器組成。

1．1 微處理器電路

微處理器采用宏晶公司的STC12LE5608AD單片機(jī),選擇32腳的方形貼片封裝（LQFP-32），運(yùn)算速度為每秒10 萬次；電源電壓為 2.2～3.6 V，時(shí)鐘頻率為 0～35 MHz，速度相當(dāng)于普通51系列單片機(jī)的0～420 MHz；內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器為768字節(jié),程序存儲器為8 K字節(jié)；內(nèi)帶8路10位ADC(Analog-to-Digital Converter)轉(zhuǎn)換器。宏晶高速單片機(jī)無需專用編程器，可通過串口直接下載用戶程序，在開發(fā)階段尤為方便。主要資源使用情況為：P1口用于LED顯示器的段碼輸出；串行口用于航行角的數(shù)字輸出；P2口的三個(gè)端口用于與LSM303DLH傳感器的I2C（Inter-Integrated Circuit）通信；P3.4口接一個(gè)按鍵小開關(guān)，用于初始化校正；P0.0口用于RS485芯片的使能控制。

圖1 硬件電路原理框圖Fig.1 Circuit block diagram

1．2 地磁傳感器

LSM303DLH地磁傳感器是意法半導(dǎo)體公司最新推出的具有三軸磁力計(jì)和三軸加速計(jì)集成的二合一傳感器模塊。采用I2C數(shù)字總線與處理器通信；磁力傳感器的測量范圍從1.3高斯到8.1高斯共分7檔，重力傳感器的測量范圍為2個(gè)重力加速度到8個(gè)重力加速度，可用程序設(shè)置選擇；其磁力傳感器在20高斯以內(nèi)的磁場環(huán)境下都能夠保持一致的測量效果和相同的敏感度，它的分辨率可以達(dá)到8毫高斯，并且內(nèi)部采用12位ADC，以保證對磁場強(qiáng)度的精確測量；加速計(jì)同樣采用12位ADC，可以達(dá)到千分之一重力加速度的測量精度，加速計(jì)可運(yùn)行于低功耗模式，并有睡眠/喚醒功能，可大大降低功耗。與采用霍爾效應(yīng)原理的地磁傳感器相比，LSM303DLH的功耗低，精度高，線性度好，并且不需要溫度補(bǔ)償。在磁力計(jì)數(shù)據(jù)更新頻率為7.5 Hz、加速計(jì)數(shù)據(jù)更新頻率為50 Hz時(shí)，消耗電流典型值為0.83 mA，在待機(jī)模式時(shí)，消耗電流小于3 μA。圖2為LSM303DLH地磁傳感器的應(yīng)用電路圖，加速度傳感器與地磁傳感器輸出數(shù)據(jù)線采用并接辦法，通過讀不同的地址獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖2 地磁傳感器應(yīng)用電路圖Fig.2 Geomagnetism sensor application circuit diagram

1．3 RS485 接口電路

接口電路采用SP3485EN芯片，應(yīng)用電路如圖3。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，輸出使能端TE置1，TE為0時(shí)處于接收狀態(tài)。

1．4 顯示電路

顯示電路采用三位共陽七段LED顯示器，由于單片機(jī)的輸入電流足以驅(qū)動LED發(fā)光，所以省卻了驅(qū)動電路，發(fā)光電流用電阻加以限定，電路設(shè)計(jì)中電阻為1 K。采用定時(shí)器逐位掃描的方法進(jìn)行航行角的顯示，顯示度數(shù)為三位整數(shù)(0～360°)。而從串口傳送的數(shù)據(jù)為四位，其中小數(shù)位一位。

圖3 RS485電平轉(zhuǎn)換電路Fig.3 RS485 electrical level convert circuit

1．5 電源電路

電源電路用兩片LM1117MP芯片，輸入電壓范圍為直流5～15 V，采用級連完成兩組穩(wěn)壓輸出,輸出電壓分別為3.3 V和1.8 V。

2 程序設(shè)計(jì)

LSM303DLH地磁傳感器內(nèi)部有重力加速度和磁場強(qiáng)度的三軸輸出功能，在磁羅經(jīng)轉(zhuǎn)換器中由于機(jī)械磁羅經(jīng)處于水平狀態(tài)，Mz近似為零忽略不計(jì)，所以僅使用了磁場輸出數(shù)據(jù)中的水平方向數(shù)據(jù)MX、MY。根據(jù)圖4地球磁場在磁傳感器平面X、Y方向的分量大小，可求出航行方向與磁北方向的夾角θ。傳感器安裝時(shí)應(yīng)將平面方向兩軸的某軸與船首方向保持一致。

磁羅經(jīng)傳感器控制程序主要有：初始化程序、地磁場數(shù)據(jù)讀出程序、磁北角計(jì)算程序、格式輸出控制程序、顯示程序及校正程序等。

圖4 航向角與磁傳感器輸出量的關(guān)系Fig.4 Relationship of course angle and magnetic sensor output quantity

2．1 初始化程序

控制程序的初始化工作主要是對一些變量單元進(jìn)行初值設(shè)定、I2C通信總線初始化、設(shè)定LSM303DLH地磁傳感器的寄存器工作參數(shù)以及串行口波特率設(shè)定等。

2．2 地磁場數(shù)據(jù)讀出程序

地磁場數(shù)據(jù)讀出程序?yàn)橹鲃邮竭B續(xù)讀取模式，LSM303DLH地磁傳感器工作于最快的轉(zhuǎn)換速度狀態(tài)，微處理器不斷讀取實(shí)時(shí)的磁場數(shù)據(jù)，通過計(jì)算求得磁北航偏角，在微處理器使用12 MHz晶振時(shí)，讀取一次并計(jì)算出角度的時(shí)間約為1 ms。

2．3 磁北角計(jì)算程序

磁北角的計(jì)算采用多次數(shù)據(jù)求平均值的方法，以提高精確度并減少干擾數(shù)據(jù)的影響。在程序中對連續(xù)的10個(gè)讀出數(shù)據(jù)求得的磁北角進(jìn)行平均值的計(jì)算，對個(gè)別相差特別大的數(shù)據(jù)進(jìn)行丟棄，以保證讀取數(shù)據(jù)的有效性。由于航船在行駛中轉(zhuǎn)向緩慢，因此每秒4次以上的刷新率已足夠保證使用的要求。

2．4 格式輸出控制程序

磁羅經(jīng)傳感器輸出的語句格式為IEC-61162-1標(biāo)準(zhǔn)（International Electro technical Commission，簡稱IEC）。語句標(biāo)準(zhǔn)格式為共17個(gè)ASCⅡ碼，如“$HCHDM,108.1,M*21”。其中“$HCHDM”為格式標(biāo)志符，后面?zhèn)z逗號之間的為信息數(shù)據(jù)，表示航向角為偏北108.1°，“M”為標(biāo)識符，“*”后面為前面所有ASCⅡ碼的異或校驗(yàn)和。信息輸出采用RS485電平，波特率一般為4 800 Baud。

2．5 顯示程序

顯示程序采用定時(shí)器自動掃描，三位共陽LED發(fā)光管顯示器顯示航偏角的整數(shù)部分，顯示器的亮度四檔可調(diào)。

2．6 校正程序

當(dāng)?shù)卮艌龈浇需F質(zhì)或固定外磁場時(shí)，會對地磁場大小與方向產(chǎn)生磁干擾，從而改變地磁場的方向及大小。另外每路傳感器的放大量不一致也會對輸出數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差，因此需對每路的最大值及中心點(diǎn)位置進(jìn)行校正，方法是在首次安裝完磁羅經(jīng)傳感器后，使船在原地慢慢地開2圈以上，或使磁羅經(jīng)傳感器繞磁羅盤中心點(diǎn)慢轉(zhuǎn)2圈以上，內(nèi)部程序?qū)γ柯返拇艔?qiáng)度最大值和最小值4個(gè)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)部存儲器中，這樣在以后每次計(jì)算磁北角時(shí)可對每路的實(shí)際測量值進(jìn)行修正，這樣就能消除硬鐵干擾及放大量不一致造成的測量誤差了。

3 測試與性能分析

經(jīng)測試，用LSM303DLH設(shè)計(jì)的磁羅經(jīng)傳感器的讀數(shù)誤差優(yōu)于1°，主要誤差較大的地方在90°、180°、270°、360°附近，分析原因是在求反正切函數(shù)時(shí)分母數(shù)字接近為零，水平方向與垂直方向磁場量數(shù)據(jù)的比值較大。

4 結(jié)論

利用LSM303DLH三軸數(shù)字傳感器制作的磁羅經(jīng)傳感器，具有靈敏度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，該技術(shù)已應(yīng)用于工廠化批量生產(chǎn)。

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