CN104406584B

CN104406584B - 一种基于硬件语言的航向角指示仪

Info

Publication number: CN104406584B
Application number: CN201410546130.5A
Authority: CN
Inventors: 孙华; 吴宗凯; 张岩; 薛晶晶; 李昊俊
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2017-10-31
Anticipated expiration: 2034-10-16
Also published as: CN104406584A

Abstract

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。

Description

一种基于硬件语言的航向角指示仪

技术领域

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

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

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。

本发明的目的是这样实现的：

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。

地磁传感器为MAG3110型三轴地磁传感器模块。

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。

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。

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。

附图说明

图1航向角指示仪总体设计框图；

图2 I2C时序图；

图3系统流程总框图；

图4地磁信号采集流程图；

图5未修正地磁场形状示意图；

图6修正后的地磁场示意图；

图7数据处理程序流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

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。

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。

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。

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。

写时序：I2C起始位->MAG3110写地址(0x1C)->目标寄存器地址->写入数据->停止位

读时序：I2C起始位->MAG3110写地址(0x1C)->目标寄存器地址->重复起始位->MAG3110读地址(0x1D)->接收数据->停止位

(1)地磁传感器与FPGA的数据传输

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：

第一步：设置一个计数器，输出周期为10us的方波作为SCL信号。并设置每个周期的10us为下降沿，2.5us为低电平，5us为上升沿，7.5us为高电平；

第二步：当SCL第一个高电平时，SDA给低电平；

第三步：在之后的八个低电平时，给SDA赋MAG3110写地址(0x1C)；

第四步：在接着的下降沿时，让SDA高阻态输出，结束一次赋值；

第五步：在之后的八个低电平时，给SDA赋目标寄存器地址；

第六步：在接着的下降沿时，让SDA高阻态输出，结束一次赋值；

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；

第八步：当SCL第一个高电平时，SDA给低电平；

第九步：在之后的八个低电平时，给SDA赋MAG3110读地址(0x1D)。然后，在接着的下降沿时，让SDA高阻态输出，结束一次赋值；

第十步：在之后的八个高电平时，从SDA读取数据，结束；

第十一步：输出结束信号；

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，ODR(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：

第一步：写操作允许，对寄存器CTRL_REG1进行赋值0x00；

第二步：上一步结束后，再对寄存器CTRL_REG1进行赋值0x30；

第三步：上一步结束后，再对寄存器CTRL_REG1进行赋值0x31；

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OUT_X_MSB(0x01)、OUT_X_LSB(0x02)、OUT_Y_MSB(0x03)、OUT_Y_LSB(0x04)、OUT_Z_MSB(0x05)、OUT_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：

第一步：读操作允许，读取寄存器DR_STATUS的值；

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；

第三步：设置寄存器OUT_X_MSB(0x01)。把数据存入xData数组的高八位；

第四步：设置寄存器OUT_X_LSB(0x02)。把数据存入xData数组的低八位；

第五步：设置寄存器OUT_Y_MSB(0x03)。把数据存入yData数组的高八位；

第六步：设置寄存器OUT_Y_LSB(0x04)。把数据存入yData数组的低八位；

第七步：设置寄存器OUT_Z_MSB(0x05)。把数据存入zData数组的高八位；

第八步：设置寄存器OUT_Z_LSB(0x06)。把数据存入zData数组的低八位；

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；

(2)地磁场修正

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：

第一步：把x坐标值赋给XMAX和XMIN数组；

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X0为XMAX和XMIN的平均值；

则XO、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。

根据泰勒级数在0处展开的公式：

可知，要想得到的结果误差越小，保留的项就得越多，但是同时考虑到计算量的问题，最终选择保留到5次方项。先求出然后分三步求出接下去的三项。最后一步输出acrtan(x)的值，即角度值，然后再输出一个结束信号。

(3)载体的航向与真北的夹角

由于地球本身是块大磁铁，地磁北极由地球内部的稳定磁场决定，地理北极(即真北)在地球的旋转轴处，是地球上经线的汇聚处。地磁南北极与地理南北极并不重合，而是存在一个夹角，可以将此角定义为磁偏角，磁偏角随着用户罗盘平台的经度和纬度而变化。地磁传感器测量的角度是与地磁北的夹角，但是实际应用中应该用与真北的夹角，因此在程序中还应该减去地磁北与真北的夹角，也就是需要减去磁偏角。例如，哈尔滨地区的地磁北与真北夹角为11.5°，只需在所计算出的角度中减去11.5°即可得到载体的航向与真北的夹角。表1为我国主要城市磁偏角分布情况。

表1 我国主要城市磁偏角分布情况

城市	磁偏角	偏向
			北京	6°05'	西

西安	2°30'	西
			成都	1°09'	西
哈尔滨	11°30'	西
			南京	4°59'	西

具体数据处理程序步骤如下，数据处理程序流程图如图7所示：

等待角度计算完成后。

第一步：判断X坐标值是否等于均值X0。如果是，那么再判断Y坐标值是否大于均值Y0，是则角度等于90度并且需加上11.5的校正角度值。如果Y坐标值不大于均值Y0。则角度等于270度再加上11.5度。

第二步：判断Y坐标值是否等于均值Y0。如果是，那么再判断X坐标值是否大于均值X0，是则角度

等于0度并且需加上11.5的校正角度值。如果X坐标值不大于均值X0。则角度等于180度再加上11.5度。

第三步：判断X坐标值和Y坐标值是否都大于均值？是则角度等于计算得出的角度值再加上11.5度。不是，进入下一步；

第四步：判断是否是X小于均值而Y大于均值？是则角度等于180度减计算得到的角度再加上11.5度。不是则进入下一步；

第五步：判断是否是X小于均值而Y小于均值？是则角度等于180度加计算得到的角度再加上11.5度。不是则进入下一步；

第六步：判断是否X大于均值而Y小于均值且计算得到的角度是否大于11.5度？是则角度等于360度减计算得到的角度再加上11.5度。不是则进入下一步；

第七步：判断是否X大于均值而Y小于均值且计算得到的角度是否小于11.5度？是则角度等于11.5度减计算得到的角度；

第八步：最后输出处理后的角度值；

(4)数码管显示模块

航向角指示仪的显示器使用的是三位共阳数码管，采用静态显示的方式，具体显示程序步骤如下：

第一步：初始化显示数组display[]，因为使用的是共阳的数码管，所以给display[]赋的是共阳数码管的0～9显示码；

第二步：得到处理后的角度值后，计算每位数码管显示的数字，通过取整取余计算得到角度值的各位数字。并按顺序始终显示出来。

Claims

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；

所述的地磁传感器为MAG3110型三轴地磁传感器模块；

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；

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；

(1)地磁传感器与FPGA的数据传输

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一个I2C通行模块，完成地磁传感器与FPGA磁场测量信息的传输，地磁信号采集程序具体步骤如下：

第一步：设置一个计数器，输出周期为10us的方波作为SCL信号；并设置每个周期的10us为下降沿，2.5us为低电平，5us为上升沿，7.5us为高电平；

第二步：当SCL第一个高电平时，SDA给低电平；

第三步：在之后的八个低电平时，给SDA赋MAG3110写地址0x1C；

第五步：在之后的八个低电平时，给SDA赋目标寄存器地址；

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；

第八步：当SCL第一个高电平时，SDA给低电平；

第九步：在之后的八个低电平时，给SDA赋MAG3110读地址(0x1D)；然后，在接着的下降沿时，让SDA高阻态输出，结束一次赋值；

第十步：在之后的八个高电平时，从SDA读取数据，结束；

第十一步：输出结束信号；

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模式配置OSR，ODR将MAG3110设为ACTIVE模式，传感器开始转化数据具体程序步骤如下：

第一步：写操作允许，对寄存器CTRL_REG1进行赋值0x00；

第二步：上一步结束后，再对寄存器CTRL_REG1进行赋值0x30；

第三步：上一步结束后，再对寄存器CTRL_REG1进行赋值0x31；

数据读取部分，读DR_STATUS状态寄存器，如果DR_STATUS&0x08＝1，一次转换已经完成，此时读取数据；读OUT_X_MSB(0x01)、OUT_X_LSB(0x02)、OUT_Y_MSB(0x03)、OUT_Y_LSB(0x04)、OUT_Z_MSB(0x05)、OUT_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：

第一步：读操作允许，读取寄存器DR_STATUS的值；

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；

第三步：设置寄存器OUT_X_MSB(0x01)；把数据存入xData数组的高八位；

第四步：设置寄存器OUT_X_LSB(0x02)；把数据存入xData数组的低八位；

第五步：设置寄存器OUT_Y_MSB(0x03)；把数据存入yData数组的高八位；

第六步：设置寄存器OUT_Y_LSB(0x04)；把数据存入yData数组的低八位；

第七步：设置寄存器OUT_Z_MSB(0x05)；把数据存入zData数组的高八位；

第八步：设置寄存器OUT_Z_LSB(0x06)；把数据存入zData数组的低八位；

(2)地磁场修正

在程序中对于受到干扰时地磁场形状进行修正，使之经过拉伸、平移变换成原点位于圆心的规则圆；具体程序步骤如下：

第一步：把x坐标值赋给XMAX和XMIN数组；

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X0为XMAX和XMIN的平均值；

则XO、YO为X、Y平面的原点，原受干扰的椭圆被修正成了一个圆；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；

根据泰勒级数在0处展开的公式：

选择保留到5次方项；先求出然后分三步求出接下去的三项；最后一步输出acrtan(x)的值，即角度值，然后再输出一个结束信号；

(3)载体的航向与真北的夹角

数据处理程序流程包括：

等待角度计算完成后；

第一步：判断X坐标值是否等于均值X0；如果是，那么再判断Y坐标值是否大于均值Y0，是则角度等于90度并且需加上地区的地磁北与真北夹角度；如果Y坐标值不大于均值Y0；则角度等于270度再加上地区的地磁北与真北夹角度；

第二步：判断Y坐标值是否等于均值Y0；如果是，那么再判断X坐标值是否大于均值X0，是则角度等于0度并且需加上地区的地磁北与真北夹角度；如果X坐标值不大于均值X0；则角度等于180度再加上地区的地磁北与真北夹角度；

第三步：判断X坐标值和Y坐标值是否都大于均值？是则角度等于计算得出的角度值再加上地区的地磁北与真北夹角度；不是，进入下一步；

第四步：判断是否是X小于均值而Y大于均值？是则角度等于180度减计算得到的角度再加上地区的地磁北与真北夹角度；不是则进入下一步；

第五步：判断是否是X小于均值而Y小于均值？是则角度等于180度加计算得到的角度再加上地区的地磁北与真北夹角度；不是则进入下一步；

第六步：判断是否X大于均值而Y小于均值且计算得到的角度是否大于地区的地磁北与真北夹角度？是则角度等于360度减计算得到的角度再加上地区的地磁北与真北夹角度；不是则进入下一步；

第七步：判断是否X大于均值而Y小于均值且计算得到的角度是否小于地区的地磁北与真北夹角度？是则角度等于地区的地磁北与真北夹角度减计算得到的角度；

第八步：最后输出处理后的角度值；

(4)数码管显示模块

第二步：得到处理后的角度值后，计算每位数码管显示的数字，通过取整取余计算得到角度值的各位数字；并按顺序始终显示出来。