基于低功耗藍牙的磁力計在線校準系統(tǒng)設(shè)計

姜德軍 李映

摘 要：隨著移動智能設(shè)備的發(fā)展，MEMS磁力計的應用也日漸非常廣泛。從手機到無人機，從虛擬現(xiàn)實設(shè)備（VR/AR）到多自由度遙控器皆可見磁力計的身影。但是磁力計由于自身的一些特點如個體差異性比較大、容易受工程設(shè)計和應用環(huán)境的影響等，磁力計校準系統(tǒng)必不可少。而常見的磁力計校準算法對內(nèi)存、CPU等資源的要求比較高，不適用于一些嵌入式的微型設(shè)備。本項目通過基于低功耗藍牙（BLE）通信設(shè)計了一套自動化的在線校準系統(tǒng)，可以應用于工廠生產(chǎn)環(huán)境或者實際用戶環(huán)境的磁力計校準。

關(guān)鍵詞：磁力計;低功耗藍牙（BLE）;校準

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0039-02

磁力計在測量、能源、醫(yī)療監(jiān)控、管道監(jiān)控、自然災害、工業(yè)、國防和航空以及消費電子產(chǎn)品中有著廣泛的應用，2017年全球磁力計市場收入為86.6億美元。依據(jù)美國透明市場研究（Transparent Market Research）公司的預測，預計磁力計市場還將在至2025年的預測期內(nèi)保持8.7%的復合年增長率，到2025年將達到136.6億美元。磁力計在使用過程中，會受到周圍環(huán)境中的電磁干擾，局部電磁環(huán)境疊到加地磁環(huán)境中從而導致測量數(shù)據(jù)存在一定的誤差，使用前一般需要先對磁力計進行校準，并在使用時使用校準數(shù)據(jù)對磁力計進行數(shù)據(jù)修正。本文針對微型系統(tǒng)設(shè)計了一套校準系統(tǒng)，具有速度快精度高的特點。

1 磁力計校準技術(shù)概述

MEMS磁力計設(shè)計采用各向異性磁致電阻（Anisotropic Magneto-Resistance，簡稱AMR）材料來檢測磁場空間分布情況。AMR是一種具有晶體結(jié)構(gòu)的合金材料，外界磁場的強弱變化會導致AMR自身電阻值發(fā)生變化，磁力計內(nèi)嵌微處理器根據(jù)電阻變化計算出磁場強度和方向。

磁力計主要目的是檢測地磁數(shù)據(jù)，但是通常地磁和局部干擾磁場疊加在一起。局部磁場的產(chǎn)生因素較多，例如磁力計附近有大塊含鐵鎳鈷等的金屬部件，如螺絲、外殼、散熱片和屏蔽罩等。根據(jù)安培定律電流通過的導線也會產(chǎn)生磁場，所以磁力計附近的走線也會引入局部干擾磁場。

優(yōu)秀的硬件版圖設(shè)計會盡量減少這種影響，例如避免磁力計附近有大塊金屬，避免布局在電源線附近和主芯片板附近。這些措施只可以降低而不能消除局部干擾磁場。

一般可以認為，局部干擾磁場γ在磁力計所在點可以視為一個恒定的矢量。 校準這些局部磁場干擾其本質(zhì)就是通過計算將γ求出。常見算法有最小二乘法做橢球曲線擬合，基于迭代極大似然估計的幾何方法進行橢球擬合等。這些校準算法在個人電腦（PC）或者類似手機這種有較多CPU和內(nèi)存資源的系統(tǒng)上實現(xiàn)并不復雜，可以直接內(nèi)嵌到設(shè)備內(nèi)部。但是對于遙控器、無人機這種基于微處理方案的設(shè)備來說就很困難，例如其可能本身內(nèi)存只有幾十KB無法放下校準算法，這就需要一套獨立的系統(tǒng)設(shè)計來做校準。

2 在線校準系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，整體校準系統(tǒng)分為兩個部分，一部分為設(shè)備端也就是被校準設(shè)備，另外一部分為主機端。兩個部分以低功耗藍牙進行通信。

設(shè)備端主要工作是對磁力計進行數(shù)據(jù)采樣，將原始數(shù)據(jù)通過BLE芯片發(fā)送給主機系統(tǒng)。同時在主機完成校準時，將主機回寫到設(shè)備的校準矩陣保存至內(nèi)部閃存（Flash），這樣在設(shè)備掉電或者重啟后依然有準確的校準數(shù)據(jù)可以應用。

主機端通過外接藍牙模塊接受設(shè)備端數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成串口（COM）數(shù)據(jù)輸出至個人計算機（PC），PC端主要運行校準程序，做橢球擬合，做完擬合的數(shù)據(jù)將自動發(fā)送回設(shè)備端。

2.2 通訊協(xié)議

考慮到磁力計數(shù)據(jù)流不屬于低功耗藍牙的標準配置文件，為了實現(xiàn)磁力計數(shù)據(jù)和校驗回寫數(shù)據(jù)的傳輸，我們在低功耗藍牙協(xié)議基礎(chǔ)上定義了一個Calibration Service，制定了設(shè)備端和主機端之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。Calibration? Service基于BLE屬性應用規(guī)范（Generic Attribute Profile，簡稱GATT），GATT指定了數(shù)據(jù)交互的結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)體定義了一些基本元素，如Service、Characteristic，這些元素存在于Attribute中。CALIBRATION_SERVICE為主服務，其他為輔助服務。主要服務及特征見表1和表2。

3 設(shè)備端設(shè)計

以磁力計LIS3MDL為例如圖2所示，LIS3MDL通過I2C連接到Nordic 52822 I2C1端口，同時也需要將DRDY和INT管腳連接到Nordic 52822的兩個GPIO上用于中斷響應和數(shù)據(jù)狀態(tài)監(jiān)測。其中I2C的SCL、SDA需要外接4.7k歐姆的上拉電阻。

軟件設(shè)計上，校準服務并不是默認打開的，而是設(shè)計為用戶通過組合按鍵打開或者關(guān)閉校準服務，這樣的設(shè)計有利于降低設(shè)備實際使用功耗。當用戶按下組合鍵打開校準服務時，軟件發(fā)送區(qū)別于正常工作模式的廣播包（ADV），其中必須包含前面定義的校準服務（Calibration Service） 的UUID。主機端程序只有在發(fā)現(xiàn)該UUID情況下才會連接被測試設(shè)備。

當主機連接上校準服務后，設(shè)備端開始對磁力計進行采樣，磁力計在完成一次數(shù)據(jù)采樣后會通過中斷通知藍牙芯片數(shù)據(jù)有效可以讀取。由于磁力計普遍采樣率不高，一般為80Hz，相同的我們可以選擇BLE以相同的連接間隔（Connection Interval）交互數(shù)據(jù)，提升交互效率。同時注冊回調(diào)函數(shù)，當接受到主機端回寫數(shù)據(jù)時，將回寫的校準矩陣保存至內(nèi)部Flash。再關(guān)閉校準服務，斷開藍牙連接。

4 主機端設(shè)計

如圖1所示主機端硬件無需特別設(shè)計，直接使用Nordic 52832開發(fā)板作為低功耗藍牙收發(fā)設(shè)備，其通過USB連接到Windows平臺的PC上即可。

主機端軟件包含兩個部分，運行在Nordic 52832開發(fā)板上的固件和運行在PC上的校準程序。

固件設(shè)計為程序開始自動進入設(shè)備掃描狀態(tài)，監(jiān)聽周圍設(shè)備的廣播包，當發(fā)現(xiàn)有設(shè)備廣播包含有校準服務的UUID時就連接該設(shè)備。當多個設(shè)備都具有該UUID時，對所有設(shè)備的信號強度（RSSI）進行排序，選擇RSSI最大的一個進行連接。為了避免工廠環(huán)境中過多的設(shè)備影響自動連接，需要預先定義一個閾值，典型的低功耗藍牙1米距離RSSI為-40dBm， 我們只對大于-40dBm的設(shè)備進行比較排序。這樣實際校準時只要將被校準設(shè)備移動至主機1米內(nèi)，校準過程自動開始。

低功耗藍牙連接建立后，固件自動從設(shè)備端開始讀取磁力計原始數(shù)據(jù)，并格式化輸出數(shù)據(jù)至串口。PC端程序從串口讀取數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)擬合，擬合過程可以通過動畫方式實時輸出至顯示器。校準完成時發(fā)送校準矩陣至串口，低功耗藍牙收發(fā)設(shè)備將串口數(shù)據(jù)打包為藍牙數(shù)據(jù)，發(fā)送至設(shè)備端，從而完成校準流程。當設(shè)備端斷開連接時，主機端重新進入掃描模式，為校準下一個設(shè)備做準備。

5 結(jié)語

基于本設(shè)計的在線校準系統(tǒng)通過低功耗藍牙傳輸磁力計數(shù)據(jù)，保持了設(shè)備端的輕量級，同時充分利用PC強大的數(shù)據(jù)處理能力，使得校準數(shù)據(jù)精度更高。該系統(tǒng)使用方便快捷，基于無線連接可以方便手持設(shè)備在空中畫8字。被校準設(shè)備只要放置在主機附近，主機會自動掃描附近的設(shè)備，建立藍牙連接并讀取磁力計數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)擬合度滿足條件時回寫校準數(shù)據(jù)至設(shè)備端。配合PC端的軟件還可以實時監(jiān)控擬合結(jié)果，可以滿足工廠生產(chǎn)環(huán)境下高頻次的校準需求。

參考文獻

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