姜德軍 李映

摘 要：隨著移動(dòng)智能設(shè)備的發(fā)展，MEMS磁力計(jì)的應(yīng)用也日漸非常廣泛。從手機(jī)到無人機(jī)，從虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備（VR/AR）到多自由度遙控器皆可見磁力計(jì)的身影。但是磁力計(jì)由于自身的一些特點(diǎn)如個(gè)體差異性比較大、容易受工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用環(huán)境的影響等，磁力計(jì)校準(zhǔn)系統(tǒng)必不可少。而常見的磁力計(jì)校準(zhǔn)算法對(duì)內(nèi)存、CPU等資源的要求比較高，不適用于一些嵌入式的微型設(shè)備。本項(xiàng)目通過基于低功耗藍(lán)牙（BLE）通信設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化的在線校準(zhǔn)系統(tǒng)，可以應(yīng)用于工廠生產(chǎn)環(huán)境或者實(shí)際用戶環(huán)境的磁力計(jì)校準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：磁力計(jì);低功耗藍(lán)牙（BLE）;校準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）08-0039-02

磁力計(jì)在測量、能源、醫(yī)療監(jiān)控、管道監(jiān)控、自然災(zāi)害、工業(yè)、國防和航空以及消費(fèi)電子產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用，2017年全球磁力計(jì)市場收入為86.6億美元。依據(jù)美國透明市場研究（Transparent Market Research）公司的預(yù)測，預(yù)計(jì)磁力計(jì)市場還將在至2025年的預(yù)測期內(nèi)保持8.7%的復(fù)合年增長率，到2025年將達(dá)到136.6億美元。磁力計(jì)在使用過程中，會(huì)受到周圍環(huán)境中的電磁干擾，局部電磁環(huán)境疊到加地磁環(huán)境中從而導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)存在一定的誤差，使用前一般需要先對(duì)磁力計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，并在使用時(shí)使用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)磁力計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。本文針對(duì)微型系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套校準(zhǔn)系統(tǒng)，具有速度快精度高的特點(diǎn)。

1 磁力計(jì)校準(zhǔn)技術(shù)概述

MEMS磁力計(jì)設(shè)計(jì)采用各向異性磁致電阻（Anisotropic Magneto-Resistance，簡稱AMR）材料來檢測磁場空間分布情況。AMR是一種具有晶體結(jié)構(gòu)的合金材料，外界磁場的強(qiáng)弱變化會(huì)導(dǎo)致AMR自身電阻值發(fā)生變化，磁力計(jì)內(nèi)嵌微處理器根據(jù)電阻變化計(jì)算出磁場強(qiáng)度和方向。

磁力計(jì)主要目的是檢測地磁數(shù)據(jù)，但是通常地磁和局部干擾磁場疊加在一起。局部磁場的產(chǎn)生因素較多，例如磁力計(jì)附近有大塊含鐵鎳鈷等的金屬部件，如螺絲、外殼、散熱片和屏蔽罩等。根據(jù)安培定律電流通過的導(dǎo)線也會(huì)產(chǎn)生磁場，所以磁力計(jì)附近的走線也會(huì)引入局部干擾磁場。

優(yōu)秀的硬件版圖設(shè)計(jì)會(huì)盡量減少這種影響，例如避免磁力計(jì)附近有大塊金屬，避免布局在電源線附近和主芯片板附近。這些措施只可以降低而不能消除局部干擾磁場。

一般可以認(rèn)為，局部干擾磁場γ在磁力計(jì)所在點(diǎn)可以視為一個(gè)恒定的矢量。 校準(zhǔn)這些局部磁場干擾其本質(zhì)就是通過計(jì)算將γ求出。常見算法有最小二乘法做橢球曲線擬合，基于迭代極大似然估計(jì)的幾何方法進(jìn)行橢球擬合等。這些校準(zhǔn)算法在個(gè)人電腦（PC）或者類似手機(jī)這種有較多CPU和內(nèi)存資源的系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)并不復(fù)雜，可以直接內(nèi)嵌到設(shè)備內(nèi)部。但是對(duì)于遙控器、無人機(jī)這種基于微處理方案的設(shè)備來說就很困難，例如其可能本身內(nèi)存只有幾十KB無法放下校準(zhǔn)算法，這就需要一套獨(dú)立的系統(tǒng)設(shè)計(jì)來做校準(zhǔn)。

2 在線校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，整體校準(zhǔn)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，一部分為設(shè)備端也就是被校準(zhǔn)設(shè)備，另外一部分為主機(jī)端。兩個(gè)部分以低功耗藍(lán)牙進(jìn)行通信。

設(shè)備端主要工作是對(duì)磁力計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，將原始數(shù)據(jù)通過BLE芯片發(fā)送給主機(jī)系統(tǒng)。同時(shí)在主機(jī)完成校準(zhǔn)時(shí)，將主機(jī)回寫到設(shè)備的校準(zhǔn)矩陣保存至內(nèi)部閃存（Flash），這樣在設(shè)備掉電或者重啟后依然有準(zhǔn)確的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可以應(yīng)用。

主機(jī)端通過外接藍(lán)牙模塊接受設(shè)備端數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成串口（COM）數(shù)據(jù)輸出至個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC），PC端主要運(yùn)行校準(zhǔn)程序，做橢球擬合，做完擬合的數(shù)據(jù)將自動(dòng)發(fā)送回設(shè)備端。

2.2 通訊協(xié)議

考慮到磁力計(jì)數(shù)據(jù)流不屬于低功耗藍(lán)牙的標(biāo)準(zhǔn)配置文件，為了實(shí)現(xiàn)磁力計(jì)數(shù)據(jù)和校驗(yàn)回寫數(shù)據(jù)的傳輸，我們在低功耗藍(lán)牙協(xié)議基礎(chǔ)上定義了一個(gè)Calibration Service，制定了設(shè)備端和主機(jī)端之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。Calibration? Service基于BLE屬性應(yīng)用規(guī)范（Generic Attribute Profile，簡稱GATT），GATT指定了數(shù)據(jù)交互的結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)體定義了一些基本元素，如Service、Characteristic，這些元素存在于Attribute中。CALIBRATION_SERVICE為主服務(wù)，其他為輔助服務(wù)。主要服務(wù)及特征見表1和表2。

3 設(shè)備端設(shè)計(jì)

以磁力計(jì)LIS3MDL為例如圖2所示，LIS3MDL通過I2C連接到Nordic 52822 I2C1端口，同時(shí)也需要將DRDY和INT管腳連接到Nordic 52822的兩個(gè)GPIO上用于中斷響應(yīng)和數(shù)據(jù)狀態(tài)監(jiān)測。其中I2C的SCL、SDA需要外接4.7k歐姆的上拉電阻。

軟件設(shè)計(jì)上，校準(zhǔn)服務(wù)并不是默認(rèn)打開的，而是設(shè)計(jì)為用戶通過組合按鍵打開或者關(guān)閉校準(zhǔn)服務(wù)，這樣的設(shè)計(jì)有利于降低設(shè)備實(shí)際使用功耗。當(dāng)用戶按下組合鍵打開校準(zhǔn)服務(wù)時(shí)，軟件發(fā)送區(qū)別于正常工作模式的廣播包（ADV），其中必須包含前面定義的校準(zhǔn)服務(wù)（Calibration Service） 的UUID。主機(jī)端程序只有在發(fā)現(xiàn)該UUID情況下才會(huì)連接被測試設(shè)備。

當(dāng)主機(jī)連接上校準(zhǔn)服務(wù)后，設(shè)備端開始對(duì)磁力計(jì)進(jìn)行采樣，磁力計(jì)在完成一次數(shù)據(jù)采樣后會(huì)通過中斷通知藍(lán)牙芯片數(shù)據(jù)有效可以讀取。由于磁力計(jì)普遍采樣率不高，一般為80Hz，相同的我們可以選擇BLE以相同的連接間隔（Connection Interval）交互數(shù)據(jù)，提升交互效率。同時(shí)注冊回調(diào)函數(shù)，當(dāng)接受到主機(jī)端回寫數(shù)據(jù)時(shí)，將回寫的校準(zhǔn)矩陣保存至內(nèi)部Flash。再關(guān)閉校準(zhǔn)服務(wù)，斷開藍(lán)牙連接。

4 主機(jī)端設(shè)計(jì)

如圖1所示主機(jī)端硬件無需特別設(shè)計(jì)，直接使用Nordic 52832開發(fā)板作為低功耗藍(lán)牙收發(fā)設(shè)備，其通過USB連接到Windows平臺(tái)的PC上即可。

主機(jī)端軟件包含兩個(gè)部分，運(yùn)行在Nordic 52832開發(fā)板上的固件和運(yùn)行在PC上的校準(zhǔn)程序。

固件設(shè)計(jì)為程序開始自動(dòng)進(jìn)入設(shè)備掃描狀態(tài)，監(jiān)聽周圍設(shè)備的廣播包，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有設(shè)備廣播包含有校準(zhǔn)服務(wù)的UUID時(shí)就連接該設(shè)備。當(dāng)多個(gè)設(shè)備都具有該UUID時(shí)，對(duì)所有設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）進(jìn)行排序，選擇RSSI最大的一個(gè)進(jìn)行連接。為了避免工廠環(huán)境中過多的設(shè)備影響自動(dòng)連接，需要預(yù)先定義一個(gè)閾值，典型的低功耗藍(lán)牙1米距離RSSI為-40dBm， 我們只對(duì)大于-40dBm的設(shè)備進(jìn)行比較排序。這樣實(shí)際校準(zhǔn)時(shí)只要將被校準(zhǔn)設(shè)備移動(dòng)至主機(jī)1米內(nèi)，校準(zhǔn)過程自動(dòng)開始。

低功耗藍(lán)牙連接建立后，固件自動(dòng)從設(shè)備端開始讀取磁力計(jì)原始數(shù)據(jù)，并格式化輸出數(shù)據(jù)至串口。PC端程序從串口讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，擬合過程可以通過動(dòng)畫方式實(shí)時(shí)輸出至顯示器。校準(zhǔn)完成時(shí)發(fā)送校準(zhǔn)矩陣至串口，低功耗藍(lán)牙收發(fā)設(shè)備將串口數(shù)據(jù)打包為藍(lán)牙數(shù)據(jù)，發(fā)送至設(shè)備端，從而完成校準(zhǔn)流程。當(dāng)設(shè)備端斷開連接時(shí)，主機(jī)端重新進(jìn)入掃描模式，為校準(zhǔn)下一個(gè)設(shè)備做準(zhǔn)備。

5 結(jié)語

基于本設(shè)計(jì)的在線校準(zhǔn)系統(tǒng)通過低功耗藍(lán)牙傳輸磁力計(jì)數(shù)據(jù)，保持了設(shè)備端的輕量級(jí)，同時(shí)充分利用PC強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，使得校準(zhǔn)數(shù)據(jù)精度更高。該系統(tǒng)使用方便快捷，基于無線連接可以方便手持設(shè)備在空中畫8字。被校準(zhǔn)設(shè)備只要放置在主機(jī)附近，主機(jī)會(huì)自動(dòng)掃描附近的設(shè)備，建立藍(lán)牙連接并讀取磁力計(jì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)擬合度滿足條件時(shí)回寫校準(zhǔn)數(shù)據(jù)至設(shè)備端。配合PC端的軟件還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)M合結(jié)果，可以滿足工廠生產(chǎn)環(huán)境下高頻次的校準(zhǔn)需求。

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