[发明专利]一种基于硬件语言的航向角指示仪

权利要求书

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；

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

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：

arctan(x)=x-x33+x55+...]]>

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

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。