一种基于硬件语言的航向角指示仪的制作方法
【专利摘要】本发明属于系统导航领域，具体涉及一种基于硬件描述语言的航向角指示仪。基于硬件语言的航向角指示仪，包括：地磁传感器、FPGA控制器、数码管，使用FPGA作为控制器，地磁传感器接收到载体的地磁数据，通过I2C总线把接收数据传给FPGA，经过FPGA进行数据处理，经数据处理后实现对地磁传感器所采集信号的计算、校正，最后将载体的航向角输出显示。航向角指示仪实现了对地磁传感器所采集信号的计算、校正，最后将载体的航向角输出显示。
【专利说明】一种基于硬件语言的航向角指示仪
【技术领域】
[0001] 本发明属于系统导航领域，具体涉及一种基于硬件描述语言的航向角指示仪。
【背景技术】
[0002] 航向角是载体导航最重要的参数之一，在船舶载体上提供操纵指示和执行相应的 任务，就必须用到精确的航向角指示。同样，对任何移动载体来说，精确可靠的航向角对载 体的运行均是非常必要。地球磁场比较稳定，如果利用好这个资源，利用地磁传感器测量载 体在地磁场的各个信号分量，再通过数值计算、误差校正，可以计算出载体的航向角，从而 提高载体的导航精度和导航性能。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种基于硬件描述语言的航向角指示仪。
[0004] 本发明的目的是这样实现的：
[0005] 基于硬件语言的航向角指示仪，包括：地磁传感器、FPGA控制器、数码管，使用 FPGA作为控制器，地磁传感器接收到载体的地磁数据，通过I2C总线把接收数据传给FPGA， 经过FPGA进行数据处理，经数据处理后实现对地磁传感器所采集信号的计算、校正，最后 将载体的航向角输出显示。
[0006] 地磁传感器为MAG3110型三轴地磁传感器模块。
[0007] FPGA与地磁传感器的通信方式采用的是I2C方式，根据I2C总线的时序对地磁信 息进行采集。
[0008] 数码管为三位共阳数码管，作为航向角指示仪的显示器采用静态显示的方式。
[0009] 本发明的有益效果在于：航向角指示仪实现了对地磁传感器所采集信号的计算、 校正，最后将载体的航向角输出显示。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1航向角指示仪总体设计框图；
[0011] 图2 I2C时序图；
[0012] 图3系统流程总框图；
[0013] 图4地磁信号采集流程图；
[0014] 图5未修正地磁场形状不意图；
[0015] 图6修正后的地磁场示意图；
[0016] 图7数据处理程序流程图；
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0018] 本发明是基于硬件语言（Verilog语言）的航向角指示仪，包括：地磁传感器、FPGA 控制器、数码管。其特征是使用FPGA作为控制器，地磁传感器接收到载体的地磁数据，通过 I2C总线把接收数据传给FPGA，经过FPGA进行数据处理，经数据处理后实现了对地磁传感 器所采集信号的计算、校正，最后将载体的航向角输出显示及实现各部分的Verilog程序。 [0019] 利用硬件描述语言（Verilog语言）对地磁传感器测得的载体磁场数据进行数值 计算、误差校正，最后给出载体的航向角。航向角指示仪主要由FPGA控制板、地磁传感器模 块和数码管显示模块组成。使用FPGA作为控制器，地磁传感器接收到载体所在位置的地磁 数据，通过I2C总线把接收数据送给FPGA，经过FPGA进行数据处理，经数据处理后实现了 对地磁传感器所采集信号的计算、校正，最后将载体的航向角输出显示。航向角指示仪总体 设计框图如图1所示。
[0020] 航向角指示仪的控制器使用的是自主设计的FPGA核心板，其核心为CYCLONE III 系列的EP3C40Q240C8N。选择的地磁传感器为Freescale公司的MAG3110微小型三轴地磁 传感器模块。
[0021] MAG3110为三轴地磁传感器能敏感来自三个方向的地磁信息，它采用标准I2C总 线协议，任何带I2C总线的微处理器，都可以轻松的访问它并接收其采集到的磁场数据。图 2是其I2C总线的时序，SCL高电平时SDA下降沿代表有效数据开始，然后每个SCL的高电 平读取SDA的数据，最后在SCL高电平时SDA上升沿结束。系统流程总框图如图3所示。
[0022] 写时序：I2C起始位_>MAG3110写地址（OxlC)_>目标寄存器地址_>写入数据_> 停止位
[0023] 读时序：I2C起始位_>MAG3110写地址（OxlC)_>目标寄存器地址_>重复起始 位->MAG3110读地址（OxlD)->接收数据-> 停止位
[0024] (1)地磁传感器与FPGA的数据传输
[0025] 根据I2C总线协议时序图以及地磁传感器的操作时序图，在FPGA中使用硬件描述 语言建立了一个I2C通行模块，来完成地磁传感器与FPGA磁场测量信息的传输，地磁信号 采集程序流程图如图4所示。具体程序步骤如下：
[0026] 第一步：设置一个计数器，输出周期为IOus的方波作为SCL信号。并设置每个周 期的IOus为下降沿，2. 5us为低电平，5us为上升沿，7. 5us为高电平；
[0027] 第二步：当SCL第一个高电平时，SDA给低电平；
[0028] 第三步：在之后的八个低电平时，给SDA赋MAG3110写地址（OxlC);
[0029] 第四步：在接着的下降沿时，让SDA高阻态输出，结束一次赋值；
[0030] 第五步：在之后的八个低电平时，给SDA赋目标寄存器地址；
[0031] 第六步：在接着的下降沿时，让SDA高阻态输出，结束一次赋值；
[0032] 第七步：判断是写操作还是读操作，写操作：在之后的八个低电平时，给SDA赋数 据，结束读操作：重复起始位，并进入下一步；
[0033] 第八步：当SCL第一个高电平时，SDA给低电平；
[0034] 第九步：在之后的八个低电平时，给SDA赋MAG3110读地址（OxlD)。然后，在接着 的下降沿时，让SDA高阻态输出，结束一次赋值；
[0035] 第十步：在之后的八个高电平时，从SDA读取数据，结束；
[0036] 第H 步：输出结束信号；
[0037] FPGA与地磁传感器的通信方式采用的是I2C方式，根据I2C总线的时序对地磁信 息进行采集。初始化部分，先将MAG3110设为STANDBY模式（CTRL_REG1寄存器低两位00) 配置OSR，0DR(CTRL_REG1寄存器高5位）将MAG3110设为ACTIVE模式（CTRL_REG1寄存器 低两位01)，传感器开始转化数据具体程序步骤如下：
[0038] 第一步：写操作允许，对寄存器CTRL_REG1进行赋值0x00 ;
[0039] 第二步：上一步结束后，再对寄存器CTRL_REG1进行赋值0x30 ;
[0040] 第三步：上一步结束后，再对寄存器CTRL_REG1进行赋值0x31 ;
[0041] 数据读取部分，读DR_STATUS (0x00)状态寄存器，如果DR_STATUS&0x08 = 1， 一次转换已经完成，此时可以读取数据；读0UT_X_MSB(0x01)、0UT_X_LSB(0x02)、0UT_Y_ MSB (0x03)、0UT_Y_LSB (0x04)、0UT_Z_MSB (0x05)、0UT_Z_LSB (0x06)寄存器，分别得到 X、Y、 Z三轴十六位的数据；此时转动MAG3110,三轴数据会发生变化。具体程序步骤如下：
[0042] 第一步：读操作允许，读取寄存器DR_STATUS的值；
[0043] 第二步：上一步结束后，判断读取的数据的第四位数据是否为1，是：则进入下一 步。不是：则返回上一步；
[0044] 第三步：设置寄存器0UT_X_MSB (0x01)。把数据存入xData数组的高八位；
[0045] 第四步：设置寄存器0UT_X_LSB(0x02)。把数据存入xData数组的低八位；
[0046] 第五步：设置寄存器0UT_Y_MSB (0x03)。把数据存入yData数组的高八位；
[0047] 第六步：设置寄存器0UT_Y_LSB (0x04)。把数据存入yData数组的低八位；
[0048] 第七步：设置寄存器0UT_Z_MSB (0x05)。把数据存入zData数组的高八位；
[0049] 第八步：设置寄存器0UT_Z_LSB (0x06)。把数据存入zData数组的低八位；
[0050] 第九步：设置X坐标值为xData，y坐标值为yData，z坐标值为zData，输出结束信 号；
[0051] (2)地磁场修正
[0052] 理论上X轴和Y轴测量值的矢量和是一定值，即其运动轨迹是一个圆心位于原点 的规则圆，这样才可以应用公式来求载体的航向。但是，由于在实际使用中，如机房、实验室 等环境下存在多种仪器、电气设备很容易给地磁传感器的测量精度带来影响，从而造成航 向测量不准。结合地磁传感器的产品说明书可知，当受到干扰时地磁场形状图是一个椭圆， 而不是一个圆，且中心也有所偏离，如图5所示。因此并不能根据得到的这个磁场形状来计 算载体航向与北向的夹角，所以要在程序中对于这个椭圆进行修正，使之经过拉伸、平移变 换成图6所示的原点位于圆心的规则圆。以X轴为例具体程序步骤如下：
[0053] 第一步：把X坐标值赋给XMAX和XMIN数组；
[0054] 第二步：判断新的X坐标值与XMAX和XMIN的大小关系，如果大于XMAX，则赋给 XMAX。如果小于XMIN，则赋给XMIN ;并输出XO为XMAX和XMIN的平均值；
[0055] 则X0、YO为X、Y平面的原点，原受干扰的椭圆被修正成了一个圆。由地磁传感器 的原理可知，通过测量出载体在X、Y轴的磁场强度，再应用反三角函数，使用泰勒级数展开 即可求出载体的航向角，由于计算量的限制，这里我选择展开到项。
[0056] 根据泰勒级数在0处展开的公式：
【权利要求】
1. 一种基于硬件语言的航向角指示仪，包括：地磁传感器、FPGA控制器、数码管，其特 征是：使用FPGA作为控制器，地磁传感器接收到载体的地磁数据，通过I2C总线把接收数据 传给FPGA，经过FPGA进行数据处理，经数据处理后实现对地磁传感器所采集信号的计算、 校正，最后将载体的航向角输出显示。
2. 根据权利要求1所述的一种基于硬件语言的航向角指示仪，其特征是：所述的地磁 传感器为MAG3110型三轴地磁传感器模块。
3. 根据权利要求2所述的一种基于硬件语言的航向角指示仪，其特征是：所述的FPGA 与地磁传感器的通信方式采用的是I2C方式，根据I2C总线的时序对地磁信息进行采集。
4. 根据权利要求3所述的一种基于硬件语言的航向角指示仪，其特征是：所述的数码 管为三位共阳数码管，作为航向角指示仪的显示器采用静态显示的方式。
【文档编号】G01C21/08GK104406584SQ201410546130
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年10月16日 优先权日:2014年10月16日
【发明者】孙华, 吴宗凯, 张岩, 薛晶晶, 李昊俊 申请人:哈尔滨工程大学