鄭成輝，王新華，郭淑琴

(1.浙江工業(yè)大學信息學院，浙江杭州31 0023;2.浙江科技學院信息學院，浙江杭州310023)

0 引言

當今，全球定位系統(tǒng)GPS已日趨成熟，作為一種全新的導航方式在軍用及民用領(lǐng)域都發(fā)揮著巨大作用。但GPS也有其局限性，如存在定位死區(qū)，有累計誤差，對靜止物體無法直接定向等問題［1］。嵌入式計算機技術(shù)和微機電傳感器技術(shù)的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的興起，使設(shè)計開發(fā)體積小、成本低的便攜監(jiān)測系統(tǒng)成為可能。近幾年微機電傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，出現(xiàn)了如微機電加速度傳感器和微機電角速度傳感器(陀螺儀)等集成度很高，體積很小的傳感器芯片，并已經(jīng)開始在各領(lǐng)域迅速推廣普及，如蘋果手機中的重力感應(yīng)技術(shù)即采用了微機電加速度傳感器。在建筑物內(nèi)部、隧道內(nèi)部、地下等無法接收GPS信號的場合，使用微機電傳感器同樣可以進行未知的自測定，并得到的是3維位置信息。本設(shè)計采用微機電3軸加速度傳感器、3軸陀螺儀、3軸磁場傳感器并結(jié)合GPS定位技術(shù)，對人員移動位置和狀態(tài)進行監(jiān)測。

1 測量原理

1.1 加速度傳感器測量原理

任何復雜的運動都可以看作是無數(shù)的勻速直線運動和勻加速運動的合成。用加速度計算路程的公式推導得:

為了式l在STM32F4中可以簡單的編程，本文做了以下的小修改:

式中，t是采樣間隔，ai是第i次采樣得到的加速度值，Sn即為第n次采樣后測量得到的位移。公式用程序表達如下:

1.2 磁阻傳感器測量原理

地球的磁力線起始于南極附近一個點，終止于北極附近一個點，即有兩個磁極。如圖1所示［2］，X和Y軸在水平面內(nèi)，Y軸向右且垂直于X軸，Z軸鉛垂向下。X軸為前進的方向，其與磁北級的夾角定義為方位角α，磁北級與地理北極的夾角定義為磁偏角λ，地磁場總強度的矢量方向He與水平面的夾角定義為磁傾角δ。本文選用陀螺儀作為傾角傳感器，傾角傳感器測出的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角分別為Φ和θ，磁阻傳感器測出X，Y，Z軸的地磁場強度分量分別為Hx，Hy，Hz(是相對量而非絕對量，只要3軸的放大比例保持一樣即可)。經(jīng)過坐標變換.將測量值轉(zhuǎn)化到地理坐標系上，從而可求得運動物體的方位角:

圖1 地磁場坐標系

本設(shè)計利用磁羅盤原理，通過坐標變換，計算出HX、HY。載體坐標系與水平坐標系兩者關(guān)系如圖2所示。

圖2 姿態(tài)變換示意圖

圖2中A-B表示地球南北極軸線;N-S表示磁南北極軸線;磁南北極與地球南北極兩軸線的夾角β稱為磁偏角。根據(jù)坐標關(guān)系，得到地球平面磁場強度HX和HY的計算公式［3］;

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文設(shè)計的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括由3軸加速度傳感器、3軸磁阻傳感器和3軸陀螺儀組成的信息獲取單元，ARM芯片組成的數(shù)據(jù)采集和處理單元。本系統(tǒng)采用的是高集成微機電3軸加速度傳感器、陀螺儀及磁場傳感器芯片，體積小，精度及穩(wěn)定性較高，有一些自帶AD轉(zhuǎn)換功能，可以簡化外圍電路的設(shè)計，為設(shè)備的小型化提供了條件。

本設(shè)計采用的飛思卡爾公司最近研制的一款3軸加速度傳感器MMA7455作為加速度測量單元。加速度傳感器MMA745具備了3種靈敏度的測量模式，分別是2g、4g、8g模式，綜合考慮靈敏度和準備度，本設(shè)計選取了4g模式作為測量模式。此傳感器的體積非常小，能夠同時測量3個軸上(X、Y、Z軸)的加速度值。

本系統(tǒng)采用的是Honeywell公司生產(chǎn)的磁阻傳感器HMC1043 3軸磁阻傳感器和VTI公司生產(chǎn)的CMR3000 3軸軸陀螺儀作為角速度測量單元。HMC1043型傳感器是一種小型3軸傳感器，適用于低磁場測量，16引腳，LPCC封裝。其內(nèi)部有兩個磁耦合接線條，偏置條和設(shè)置/重置條(S/R)，用于入射磁場調(diào)整和磁疇校準［4］。CMR3000采用了節(jié)能設(shè)計，功耗僅為5mA，在正交模式運算時采用共享的傳感塊和耦合共振器結(jié)構(gòu)，可以消除軸間的相互干擾，角速度測量范圍為±2 000°/s，尺寸大小。

傳感器采集的信號經(jīng)過調(diào)理電路送到MCU的ADC接口進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，本設(shè)計的MCU采用ST公司Cortex-M4芯片STM32F4，該芯片功能強大，具有DSP處理能力，內(nèi)部帶大容量FLAStt和RAM及12位AD轉(zhuǎn)換器，不需要外擴其它芯片，主頻和指令處理速度可達168MHz/210DMIPS，功耗和體積都很小，為監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)處理提供了強有力的保證。

無線收發(fā)模塊選用不同類型的成熟模塊，設(shè)計時采用統(tǒng)一的接口以便更換，增加系統(tǒng)的適應(yīng)性。本系統(tǒng)設(shè)計方案選用的是基于TI公司生產(chǎn)的cc2530F256芯片的無線透傳模塊，內(nèi)部運行Zigbee/PRO協(xié)議棧，具有Zigbee協(xié)議的全部特性，能實現(xiàn)自組網(wǎng)和無線轉(zhuǎn)發(fā)功能，本模塊將協(xié)議棧嵌入模塊內(nèi)部，只留出串口，無需了解Zigbee協(xié)議棧，只需要讀寫串口，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，簡單易用，非常適合嵌入式系統(tǒng)。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，總體結(jié)構(gòu)分為系統(tǒng)主程序和各功能模塊子程序兩部分［5］。其中主程序負責整個系統(tǒng)對子程序的及時響應(yīng)和調(diào)用，有效的管理系統(tǒng)軟硬什:子程序完成各自指定功能，并供主程序調(diào)用，包括初始化、數(shù)據(jù)采集和濾波、計算及誤差補償校正、移動位移及方位角顯示、串口收發(fā)和D/A輸出等等。

4 結(jié)束語

本文基于MEMS傳感器并結(jié)合嵌入式技術(shù)，設(shè)計了一套精確定位系統(tǒng)。經(jīng)測試系統(tǒng)對人員位置的測定能達到百米范圍內(nèi)誤差不大于5m，同時能準確測定人員的活動狀態(tài)。

［1］ 曾穎，郭天太，劉月瑤，等.一種磁阻式電子羅盤的開發(fā)［J］.中國科技信息，2010，59(23):128-129.

［2］ 朱學斌.基于MAX155和KMZ52的電子指南針的實現(xiàn)［J］.魯東大學學報(自然科學版)，2006，22(4):300-302.

［3］ 紹婷婷，馬建倉，張永波.具有傾斜補償功能的三軸磁阻電子羅盤研制［J］.電子測量技術(shù)，2008，31(6):140-142.

［4］ 崔瑞芬，常詰.微型磁阻式子羅盤的設(shè)計及羅差補償方法的研究［J］.計算機測量與控制，2010，18(11):2 608-2 611.

［5］ 馬建倉，胡士峰，邵婷婷.三軸磁阻電子羅盤設(shè)計［J］.火力與指揮控制，2009，34(3):142-144.