基于ARM9平台的电子指南针的设计

摘要：针对指南针精度与显示界面的问题，在ARM9的开发平台上，设计了一款界面美观且能够实时显示方位、温度和时间的电子指南针。该系统采用了灵敏度和精度高的磁力传感器MAG3110检测方位，采用了智能型温度传感器DS18B20检测温度，并选择了Linux Qt作为电子指南针图形界面的开发平台。实验结果表明，指南针方位精度达±2°，温度精度达±0.5℃，能够使用在普通导航领域上。

0 引言

指南针在我国已有悠久的历史，作为一个重要的导航工具，广泛的运用在生活各领域。随着半导体技术的飞速发展，如今的指南针不仅体积小，灵敏度和精确度都已得到很大的提高，而舒适清晰，简单快捷的人机交互界面更是日益追求的目标。本文采用一款小体积、低功耗的数字磁力计MAG3110采集地磁场，它采用标准IIC串行接口，输出数据速率达80 Hz，并且可自我消除误差，并使用数字温度传感器S18B20，它具有线路简单，体积小，测温范围为-55～+125℃，精度为±0.5℃。选择这两款数字芯片，可满足灵敏度和精度的要求，选择Linux Qt作为电子指南针GUI界面的设计可达到舒适清晰，美观精巧的界面效果。

1 指南针图形界面的选择

现行比较流行的GUI有MiniGui，MicroWindows，OpenGUI，Qt/Embedded。MiniGuI是国内开发的图形界面系统，图形设备层次过于抽象，图形功能不够完善。MicroWindows源码开放，但其许多图形引擎算法低下，控件或构件的实现还不是很完备，系统整体不够完善。Open GUI比较适合X86平台，内核采用汇编实现，移植性不好，不支持多进程，目前发展较缓慢。Qt/Embedded也是开源的，其库采用C++封装，完全面向对象。Qt/Embedded开发简洁，界面美观、色彩配比好，具有丰富的API，使用与Qt/Windows和Qt/X11完全一致的API接口，许多基于Qt的程序可以非常方便地移植到嵌入式设备上。本文选择Qt作为指南针GUI界面的开发平台。

2 指南针测量原理

本文设计的是二维电子指南针，其数学模型如图1所示。x轴与指南针向前移动方向重合，y轴与指南针横向方向重合，在不考虑磁倾角的情况下，地球磁场水平面分布，即只有图中h磁北方向，因此z轴感测到的磁场为0。Hx，Hy分别为水平面两个轴感测到的磁场强度分量。

定义指南针向前移动的方向(x轴方向)与磁北方向的夹角为地磁航向角β，其与地理北极的夹角为地理航向角ψ，由图1可知ψ=β±γ，γ为磁偏角，已知磁偏角，求出地磁航向角β即可求得指南针的地理航向角。利用磁传感器检测到的Hx，Hy按公式：

β=arctan(Hx/Hy)

可求得地磁航向角。

3 系统硬件设计

3.1 硬件框架设计

本设计系统的硬件设计框架如图2所示，采用ARM9作为处理器，使用MINI2440作为实验板，外加温度传感器DS18B20和磁力传感器MAG31 10模块电路，可借助ARM9开发平台丰富的外围接口资源进行开发与调试。如其LCD接口作为显示模块，JTAG接口作为调试模块，USB接口作上传或下载程序模块等。

3.2 接口电路

3.2.1 磁力传感器MAG3110接口电路

MAG3110是款数字芯片，采用标准I2C串行接口，其电路如图3所示，SCL和SDA为I2C串行接口的时钟和数据线。MAG3110内部集成了信号处理电路，A/D转换电路，相比其他模拟芯片，其精度更高，误差更小。

3.2.2 温度传感器DS18B20接口电路

DS18B20是单线器件，接口电路很简单，数据输入输出就一根线，其电路如图4所示，DQ为数据输入输出线。

4 系统软件设计

4.1 软件框架

如图5所示为系统的软件框架，在底层驱动添加了温度传感器DS18B20和磁传感器MAG3110的驱动，在应用层，分别打开两个驱动的设备节点采集它们的数据，在Qt环境下将DS18B20和MAG3110的数据处理并显示。

4.2 软件模块的实现

4.2.1 温度传感器模块实现

温度传感器底层采用字符驱动框架实现，其读写操作在系统调用函数read，write中实现。应用程序打开其设备节点，就可以读取底层温度传感器的数据，其实现流程如图6所示。

4.2.2 磁传感器模块实现

磁传感器底层驱动采用I2C驱动框架。其读写操作在系统调用函数read，write中实现，应用层打开其设备节点就可读取数据，其实现流程见图6。

4.3 界面设计

4.3.1 QWT5.0.2库移植

如图7所示为指南针的界面。

Qt开发环境下没有这样的控件，需要移植包含此控件的库(QWT5.0.2)。本设计需要移植到X86和ARM9平台。如图8所示，Qwtwidgets为移植到X86平台上的库，其中包括许多常用的仪表控件，其中QwtCompass控件就是图7所示的控件。