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为什么电子指南针能指示方向

电子发烧友论坛 来源:电子发烧友论坛 作者:电子发烧友论坛 2022-07-25 14:06 次阅读

电子指南针是现代的一种重要导航工具,大到飞机船舶的导航,小到个人手机导航,电子指南针可以说和咱们生活息息相关,密不可分。为什么电子指南针能指示方向?本 Demo 将为你呈现,其中蕴含了人类智慧及大自然的奥妙。

本项目分为数据采集端(设备端)和效果展示端(应用端):

数据采集端(设备端):

1、指南针数据采集端:使用的是 Geek_Lite_Board 开发板,其内置了三轴磁力计 AK8963,通过解析磁力计数据获得指南针数据信息,操作系统版本为 OpenAtom OpenHarmony 3.0(以下简称“OpenHarmony”);

2、指南针效果展示端:使用的是润和 RK3568 开发板,操作系统版本为 OpenHarmony 3.1 release。

效果展示端则体现了 OpenHarmony JS UI、Canvas 组件和 NAPI 的能力:

效果展示端(应用端)

1、Canvas 组件是一个画布组件,获取到画布对象后,可以自定义绘制图形,比如圆形,线条等,本项目中应用端的指南针界面是基于 Canvas 组件开发;

2、NAPl (NativeAPI)是 OpenHarmony 标准系统的一种 JS API 实现机制,通过 NAPI 可以实现 JS 与 C/C++ 代码互相访问。本项目应用端通过 NAPI 来接收设备端发出的检测信息。

当设备应用启动之后,运行效果如下动图所示:

af3f29f4-049b-11ed-ba43-dac502259ad0.gif

一、基本原理

地球是一个大磁体,地球的两个极分别在接近地理南极和地理北极的地方,一般情况下地球的磁场强度在 0.5 高斯左右(高斯是磁场强度单位)。

Geek_Lite_Board 开发板带有 AK8963 三轴磁力计。三轴磁力计能够测出相互垂直的三个方向的磁力大小。通常我们把传感器平放,即让重力方向与传感器垂直,假设重力方向为 z 轴,其余两轴为 x 轴和 y 轴。在只受地球磁场的环境下(忽略其余弱小干扰),x 轴 y 轴检测到的磁力数据的矢量和就等于接收到的地球磁场。

我们利用 x 轴与 y 轴的比值,就能确定目前朝向正北边差多少角度。例如现测到 x 轴数据接近 0.5 高斯,y 轴数据接近 0,就认为目前的 x 轴方向就是正北方。那 x 轴方向是哪个方向?关于 x 轴方向,生产传感器芯片的厂商会预定义好传感器的 x 轴、y 轴及 z 轴方向(通常垂直芯片表面的为 z 轴)。

数据流程

af6779cc-049b-11ed-ba43-dac502259ad0.png

智能指南针整体方案如上图所示,主要由 Geek_Lite_Board 开发板和润和 RK3568 开发板构成,它们采用局域网(路由器)TCP 协议的通信方式。

1. Geek_Lite_Board 开发板通过板载的磁力计获取磁场数据,磁场数据经过处理后得到角度数据;

2. 角度信息通过 ESP8266 无线 Wi-Fi 模块发送到指南针应用端;

3. 指南针应用端通过 NAPI 接口获取底层网络数据,并在页面展示。

二、功能实现

指南针数据的获取

Geek_Lite_Board 开发板通过 IIC 接口与 AK8963 三轴磁力计通信,读取三轴方向的磁场数据,通过磁场数据计算后得到指南针的方位数据。

● AK8963介绍

AK8963是采用高灵敏度霍尔传感器技术,内部集成了检测x、y、z轴的磁传感器、传感器驱动电路、信号放大器和用于处理每个传感器信号的算术电路。同时,还配备了自测功能。其紧凑的封装,还可适用于配备gps的手机的地图导航,实现行人导航等功能。

● AK8963测量数据的读取

AK8963 和单片机通过 IIC 接口连接,单片机操作 IIC 总线按照数据手册的操作时序操作即可读取 AK8963 的数据,AK8963 获取测量数据的函数实现如下:

uint8_t Mpu_Read_Bytes(uint8_t const regAddr, uint8_t *pData, uint8_t len){  int i = 0;  MPU_ENABLE;  while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI5, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);  SPI_I2S_SendData(SPI5, regAddr | 0x80);  while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI5, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);  SPI_I2S_ReceiveData(SPI5);  for(i=0; i    while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI5, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);    SPI_I2S_SendData(SPI5, 0x00);    while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI5, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);    pData[i] = SPI_I2S_ReceiveData(SPI5);  }  MPU_DISABLE;  return 0;}

● AK8963数据处理得到磁力数据

调用 Mpu_Read_Bytes 函数获取测量数据,其中 MPU_BUFF[15] 到 MPU_BUFF[20] 这六个字节的数据就是磁力计的数据。此时的磁力计数据还不稳定不能直接用来计算指南针的角度,还需要进行滤波处理,此处用到的滤波算法是滑动均值滤波。数据处理代码如下:

Mpu_Read_Bytes(MPUREG_ACCEL_XOUT_H, MPU_BUFF, 28);if(MPU_BUFF[14] == 1) { // 从 MPU_BUFF[]中提取磁力数据  Mpu_Data.mag_x = (MPU_BUFF[16] << 8) | MPU_BUFF[15];  Mpu_Data.mag_y = (MPU_BUFF[18] << 8) | MPU_BUFF[17];  Mpu_Data.mag_z = (MPU_BUFF[20] << 8) | MPU_BUFF[19]; // 对x轴方向磁力计数据进行滤波,取滑动平均 for(i=0;i<14;i++) {  mag_x_buff[i] = mag_x_buff[i+1]  //滑动 }   if(Mpu_Data.mag_x > -500 && Mpu_Data.mag_x < 500) {    mag_x_buff[14] = Mpu_Data.mag_x;  }  //取平均值  Mpu_Calc.mag_x = ( mag_x_buff[0] + mag_x_buff[1] + mag_x_buff[2]   + mag_x_buff[3] + mag_x_buff[4] + mag_x_buff[5] + mag_x_buff[6]   + mag_x_buff[7] + mag_x_buff[8] + mag_x_buff[9] + mag_x_buff[10]   + mag_x_buff[11] + mag_x_buff[12] + mag_x_buff[13]  + mag_x_buff[14] )/15.0f;   // 对y轴方向磁力计数据进行滤波,取滑动平均  for(i=0;i<14;i++){   mag_y_buff[i] = mag_y_buff[i+1]; //滑动       }       if(Mpu_Data.mag_y > -500 && Mpu_Data.mag_y < 500){   mag_y_buff[14] = Mpu_Data.mag_y;  }  //取平均值  Mpu_Calc.mag_y = ( mag_y_buff[0] + mag_y_buff[1] + mag_y_buff[2]   + mag_y_buff[3] + mag_y_buff[4] + mag_y_buff[5] + mag_y_buff[6]   + mag_y_buff[7] + mag_y_buff[8] + mag_y_buff[9] + mag_y_buff[10]   + mag_y_buff[11] + mag_y_buff[12] + mag_y_buff[13]  + mag_y_buff[14] )/15.0f;  // 对磁力计z轴方向进行滤波  mag_z_buff[0] = mag_z_buff[1];  mag_z_buff[1] = Mpu_Data.mag_z;  Mpu_Calc.mag_z = (int16_t)((mag_z_buff[0] + mag_z_buff[1])/ 2.0f);}

● 角度数据计算

磁力计数据通过滤波后得到 x y z 三个轴方向的磁力分量,计算出 x 和 y轴的 tan 值,再通过反正切计算出角度,角度经过滑动平均得到最终需要显示出来的指南针角度值,计算过程见如下代码。

angle_buff[0] = angle_buff[1]; angle_buff[1] = angle_buff[2]; angle_buff[2] = ((uint16_t)(atan2((Mpu_Calc.mag_y - Mag_y_OffSet),   (Mpu_Calc.mag_x - Mag_x_OffSet)) *180 / PI + 180 )); angle = ((uint16_t)((angle_buff[0] + angle_buff[1] + angle_buff[2])    / 3.0 + 0.5));

指南针数据的传输

Geek_Lite_Board 开发板外挂 ESP8266 Wi-Fi 模组通过局域网 TCP 通信的方式将角度数据传输给润和 RK3568 开发板,润和 RK3568 开发板通过 NAPI 接口获取底层网络数据,从网络数据中解析出角度数据,并在显示屏上显示出来。

角度数据的显示

角度数据的显示由润和 RK3568 开发板实现,主要分为指南针显示页面的绘制和 NAPI 从局域网上获取角度数据并展示到界面上。

指南针显示页面

指南针的显示页面主要通过 Canvas 组件画图完成,包含方位角度、指南针针盘和指示线,显示整体效果如下图所示。

af70f0b0-049b-11ed-ba43-dac502259ad0.png

指南针针盘由一个 Canvas 组件构成,包含了三个部分,分别为刻度盘、角度数字、方位文字,他们的效果图分别如下:

● 刻度盘

afb99fa4-049b-11ed-ba43-dac502259ad0.png

● 角度数字

afccd196-049b-11ed-ba43-dac502259ad0.png

● 方位文字

afe2e5d0-049b-11ed-ba43-dac502259ad0.png

Canvas组件相关知识可以参考:https://gitee.com/openharmony/do ... ts-canvas-canvas.md

NAPI

NAPI(Native API)是 OpenHarmony 标准系统的一种 JS API 实现机制,适合封装 IO、CPU 密集型、OS 底层等能力并对外暴露 JS 接口,通过 NAPI 可以实现 JS 与 C/C++ 代码互相访问。润和 RK3568 应用端通过 NAPI 来接收设备端发出的检测信息。

底层 NAPI 模块封装

● 本应用封装的模块名为 tcpserverapi,先下载源码,源码路径为:


https://gitee.com/openharmony-sig/knowledge_demo_temp/tree/master/dev/team_x/napi_tcpservermodule/tcpservermodule

● 下载完成后放到 OpenHarmony 3.1 Release 版本源码根目录,并配置编译脚本;第一次编译完成需要烧写整个镜像,请参考[开发板上新 | RK3568 开发板上丝滑体验 OpenHarmony 标准系统]:


https://gitee.com/openharmony-sig/knowledge_demo_smart_home/tree/master/dev/docs/rk3568_quick_start

● 后面修改模块源码,只需将库send到板子里面。命令如下:

先挂载,再sendhdc_std shell mount -o remount,rw /hdc_std file send libtcpserverapi.z.so system/lib/module/libtcpserverapi.z.so应用端导入NAPI模块import tcpserverapi from '@ohos.tcpserverapi'应用端NAPI接口调用//调用initServer接口 初始化 TCP 服务器tcpserverapi.initServer()//调用recvMsg 获取并解析SMT32板子发送过来的角度tcpserverapi.recvMsg().then((result) => {                  var resultAngle = result.angle;                })

更多 NAPI 相关知识请参考《标准设备应用开发 Native Api》视频课程。


审核编辑:汤梓红


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    发表于 09-19 10:51 16次 阅读
    DK VIDEO GW2A18 PG484 V1.1开发板快速应用指南

    DK VIDEO GW2A LV18PG484C8I7 V1.2开发板用户手册

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    发表于 09-19 10:50 14次 阅读
    DK VIDEO GW2A LV18PG484C8I7 V1.2开发板用户手册

    基于DK VIDEO GW2A18 PG484开发板的HDMI视频放大DEMO应用手册

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    发表于 09-19 10:45 18次 阅读
    基于DK VIDEO GW2A18 PG484开发板的HDMI视频放大DEMO应用手册

    基于DK VIDEO GW2A18 PG484开发板的HDMI视频缩小DEMO应用手册

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    发表于 09-19 10:44 16次 阅读
    基于DK VIDEO GW2A18 PG484开发板的HDMI视频缩小DEMO应用手册

    基于DK VIDEO GW2A18 PG484开发板的HDMI视频90度旋转DEMO应用手册

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    发表于 09-19 10:43 25次 阅读
    基于DK VIDEO GW2A18 PG484开发板的HDMI视频90度旋转DEMO应用手册

    DK START GW1NSR LV4CQN48PC7I6 V1.1开发板用户手册

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    发表于 09-19 10:39 21次 阅读
    DK START GW1NSR LV4CQN48PC7I6 V1.1开发板用户手册

    DK START GW1NSR LV4CQN48GC7I6 V1.1开发板用户手册

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    发表于 09-19 10:38 18次 阅读
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    DK NANO GW2A55 PG484用户手册(V1.1)

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    发表于 09-19 10:29 20次 阅读
    DK NANO GW2A55 PG484用户手册(V1.1)

    DK GoAI GW1NSR4CQN48 V1.1开发板用户手册

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    发表于 09-19 10:15 18次 阅读
    DK GoAI GW1NSR4CQN48 V1.1开发板用户手册

    DK GoAI GW1NSR4C V1.1开发板快速应用指南

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    发表于 09-19 10:14 18次 阅读
    DK GoAI GW1NSR4C V1.1开发板快速应用指南

    Gowin GW1NRF快速入门指南(EN)

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    发表于 09-19 09:30 29次 阅读
    Gowin GW1NRF快速入门指南(EN)

    可编程USB转串口适配器开发板芯片驱动文件说明

    芯片选择下拉框内列出的每一个备选芯片的驱动文件和数据手册位于S2STool 工具文件夹中的chips....
    的头像 工程监测 发表于 09-19 09:02 109次 阅读
    可编程USB转串口适配器开发板芯片驱动文件说明

    EV_ICS-51360-FX TDK InvenSense ICS多模MEMS麦克风

    venSense ICS多模MEMS麦克风具有230µA至590µA电流范围、-98dB FS高电源抑制,采用3.5mm × 2.65mm × 0.98mm表面贴装封装。ICS-51360模块具有50Hz至>20kHz的扩展频率响应和数字脉冲密度调制 (PDM) 输出。该MEMS麦克风兼容无锡/铅和无铅焊接工艺。TDK InvenSense ICS多模MEMS麦克风非常适合用于智能手机、麦克风阵列、平板电脑和相机应用。 特性 四阶Σ-Δ调制器 数字脉冲密度调制 (PDM) 输出 兼容无锡/铅和无铅焊接工艺 符合RoHS指令/WEEE标准 规范 −36dB FS ±1...
    发表于 11-11 09:07 411次 阅读

    SDE1B016GTKDWBA0ESA0 TDK Solid State Drives

    态驱动器满足工业应用中对SSD的要求,速度可达180MB/s。 这些设备使用最新的MLC型NAND闪存,具有读取重试功能,对于提高数据可靠性是必不可少的。 SSD具有自动恢复、数据随机化和自动刷新功能。
    发表于 10-23 19:06 293次 阅读

    P-NUCLEO-WB55 STMicroelectronicsPNUCLEOWB55STM32WBNucleo68数据包

    oelectronics P-NUCLEO-WB55 STM32WB Nucleo-68数据包是一套经济划算的方案,能够基于STM32WB双核多协议 超低功耗2.4GHz MCU 片上系统 (SoC) 快速开发WLAN和蓝牙应用。  STM32 Nucleo包含NUCLEO-68板(预装STM32WB55RG MCU)和USB加密狗(采用 STM32WB55CG MCU)。 NUCLEO-68板和USB加密狗配置为2.4GHz射频收发器蓝牙规格v5.0和IEEE 802.15.4-2011 PHY和MAC。NUCLEO-68板还包含Arduino Uno V3和 史多福连接器,可轻松集成到应用原型中。集成式ST-LINK/V2-1调试器/编程器,无需使用单独的探针。...
    发表于 10-23 16:06 438次 阅读

    STM32MP157A-DK1 STMicroelectronicsSTM32MP157ADK1探索套件

    oelectronics STM32MP157A-DK1探索套件支持利用STM32 MPU OpenSTLinux分布软件轻松开发应用程序。OpenSTLinux软件用于主处理器和协同处理器的STM32CubeMP1软件。该套件包含ST-LINK嵌入式调试工具、LED、按钮和一个以太网1Gbps连接器。它还包含一个USB Type-C™ OTG连接器、四个USB Type-A主机连接器和一个HDMI®收发器。它还包含一个立体声耳机插孔(带模拟麦克风)和一个microSD™连接器。为了扩展STM32MP157A-DK1探索套件的功能,提供两个GPIO扩展连接器,用于Arduino™和Raspberry Pi®屏蔽。 特性 基于STM32MP157 Arm®的双Cortex®-A7 32位 + Cortex®-M4 32位MPU,采用TFBGA361封装 圣普米克stpmic1a 4GbitDDR3L,16位,533MHz 1GB以太网 (RGMII),符合IEEE-802.3ab USBOTGHS 音频编#...
    发表于 10-23 15:06 1220次 阅读

    NUCLEO-H743ZI2 STMicroelectronics搭载STM32H743ZIMCU的STM32Nucleo144开发板

    oelectronics搭载STM32H743ZI MCU的STM32 Nucleo-144开发板用于测试STM32H743ZI微控制器的各种性能以及与之相对应的功耗情况。开关模式电源 (SMPS) 可显著降低运行模式下的功耗。该开发板设有用于实现Arduino® Uno V3连接功能的ST Zio连接器,以及用于通过各种扩展板扩展Nucleo开放式开发平台的 ST吗啡排针。STM32 Nucleo-144开发板无需单独的探头,因其已集成ST-LINK/V2-1调试器/编程器。STM32 Nucleo-144开发板随附STM32Cube MCU软件包中提供的STM32全面免费软件库和示例。 特性 采用LQFP144封装的STM32微控制器 外部SMPS,生成Vcore逻辑电源(仅可用于“-P”结尾的板) 符合IEEE-802.3-2002的以太网(取决于STM32支持) USB OTG或全速设备(取决于STM32支持) 3个用户LED 两个按钮(用户和复位) 32.768 kHz晶体振荡器 板连接器: 微型USB接口 SWD 以太网RJ...
    发表于 10-21 10:09 554次 阅读