摘要：針對指南針精度與顯示界面的問題，在ARM9的開發(fā)平臺上，設(shè)計了一款界面美觀且能夠?qū)崟r顯示方位、溫度和時間的電子指南針。該系統(tǒng)采用了靈敏度和精度高的磁力傳感器MAG3110檢測方位，采用了智能型溫度傳感器DS18B20檢測溫度，并選擇了Linux Qt作為電子指南針圖形界面的開發(fā)平臺。實驗結(jié)果表明，指南針方位精度達±2°，溫度精度達±0.5℃，能夠使用在普通導航領(lǐng)域上。

0 引言

指南針在我國已有悠久的歷史，作為一個重要的導航工具，廣泛的運用在生活各領(lǐng)域。隨著半導體技術(shù)的飛速發(fā)展，如今的指南針不僅體積小，靈敏度和精確度都已得到很大的提高，而舒適清晰，簡單快捷的人機交互界面更是日益追求的目標。本文采用一款小體積、低功耗的數(shù)字磁力計MAG3110采集地磁場，它采用標準IIC串行接口，輸出數(shù)據(jù)速率達80 Hz，并且可自我消除誤差，并使用數(shù)字溫度傳感器S18B20，它具有線路簡單，體積小，測溫范圍為-55～+125℃，精度為±0.5℃。選擇這兩款數(shù)字芯片，可滿足靈敏度和精度的要求，選擇Linux Qt作為電子指南針GUI界面的設(shè)計可達到舒適清晰，美觀精巧的界面效果。

1 指南針圖形界面的選擇

現(xiàn)行比較流行的GUI有MiniGui，MicroWindows，OpenGUI，Qt/Embedded。MiniGuI是國內(nèi)開發(fā)的圖形界面系統(tǒng)，圖形設(shè)備層次過于抽象，圖形功能不夠完善。MicroWindows源碼開放，但其許多圖形引擎算法低下，控件或構(gòu)件的實現(xiàn)還不是很完備，系統(tǒng)整體不夠完善。Open GUI比較適合X86平臺，內(nèi)核采用匯編實現(xiàn)，移植性不好，不支持多進程，目前發(fā)展較緩慢。Qt/Embedded也是開源的，其庫采用C++封裝，完全面向?qū)ο?。Qt/Embedded開發(fā)簡潔，界面美觀、色彩配比好，具有豐富的API，使用與Qt/Windows和Qt/X11完全一致的API接口，許多基于Qt的程序可以非常方便地移植到嵌入式設(shè)備上。本文選擇Qt作為指南針GUI界面的開發(fā)平臺。

2 指南針測量原理

本文設(shè)計的是二維電子指南針，其數(shù)學模型如圖1所示。x軸與指南針向前移動方向重合，y軸與指南針橫向方向重合，在不考慮磁傾角的情況下，地球磁場水平面分布，即只有圖中h磁北方向，因此z軸感測到的磁場為0。Hx，Hy分別為水平面兩個軸感測到的磁場強度分量。

定義指南針向前移動的方向(x軸方向)與磁北方向的夾角為地磁航向角β，其與地理北極的夾角為地理航向角ψ，由圖1可知ψ=β±γ，γ為磁偏角，已知磁偏角，求出地磁航向角β即可求得指南針的地理航向角。利用磁傳感器檢測到的Hx，Hy按公式：

β=arctan(Hx/Hy)

可求得地磁航向角。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 硬件框架設(shè)計

本設(shè)計系統(tǒng)的硬件設(shè)計框架如圖2所示，采用ARM9作為處理器，使用MINI2440作為實驗板，外加溫度傳感器DS18B20和磁力傳感器MAG31 10模塊電路，可借助ARM9開發(fā)平臺豐富的外圍接口資源進行開發(fā)與調(diào)試。如其LCD接口作為顯示模塊，JTAG接口作為調(diào)試模塊，USB接口作上傳或下載程序模塊等。

3.2 接口電路

3.2.1 磁力傳感器MAG3110接口電路

MAG3110是款數(shù)字芯片，采用標準I2C串行接口，其電路如圖3所示，SCL和SDA為I2C串行接口的時鐘和數(shù)據(jù)線。MAG3110內(nèi)部集成了信號處理電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，相比其他模擬芯片，其精度更高，誤差更小。

3.2.2 溫度傳感器DS18B20接口電路

DS18B20是單線器件，接口電路很簡單，數(shù)據(jù)輸入輸出就一根線，其電路如圖4所示，DQ為數(shù)據(jù)輸入輸出線。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 軟件框架

如圖5所示為系統(tǒng)的軟件框架，在底層驅(qū)動添加了溫度傳感器DS18B20和磁傳感器MAG3110的驅(qū)動，在應(yīng)用層，分別打開兩個驅(qū)動的設(shè)備節(jié)點采集它們的數(shù)據(jù)，在Qt環(huán)境下將DS18B20和MAG3110的數(shù)據(jù)處理并顯示。

4.2 軟件模塊的實現(xiàn)

4.2.1 溫度傳感器模塊實現(xiàn)

溫度傳感器底層采用字符驅(qū)動框架實現(xiàn)，其讀寫操作在系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)read，write中實現(xiàn)。應(yīng)用程序打開其設(shè)備節(jié)點，就可以讀取底層溫度傳感器的數(shù)據(jù)，其實現(xiàn)流程如圖6所示。

4.2.2 磁傳感器模塊實現(xiàn)

磁傳感器底層驅(qū)動采用I2C驅(qū)動框架。其讀寫操作在系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)read，write中實現(xiàn)，應(yīng)用層打開其設(shè)備節(jié)點就可讀取數(shù)據(jù)，其實現(xiàn)流程見圖6。

4.3 界面設(shè)計

4.3.1 QWT5.0.2庫移植

如圖7所示為指南針的界面。

Qt開發(fā)環(huán)境下沒有這樣的控件，需要移植包含此控件的庫(QWT5.0.2)。本設(shè)計需要移植到X86和ARM9平臺。如圖8所示，Qwtwidgets為移植到X86平臺上的庫，其中包括許多常用的儀表控件，其中QwtCompass控件就是圖7所示的控件。