Navigačná aplikácia s kompasom HMC5883L

Autori:	Peter Griger, Ivan Beliansky
Študijný odbor:	Aplikovaná mechatronika a elektromobilita	1. Ing. (2016)

Zadanie

HMC5883L PCB

Pomocou troj osého magnetometra HMC5883L vytvorte aplikáciu ktorá bude slúžiť ako smerový navigačný systém.

Body zadania

• K použitému senzoru nájdite datasheet a preštudujte jeho štruktúru, spôsob pripojenia, komunikácie, a čítania dát.
• Na základe predošlých vedomostí navrhnite spôsob pripojenia k vhodnej riadiacej jednotke.
• Napíšte program v prostredí Arduino zabezpečujúci:
  • Komunikáciu so snímačom
  • Načítanie a spracovanie potrebných dát
  • Vyhodnotenie a prezentácia údajov v reálnom čase
• Dokumentáciu odovzdajte prostredníctvom tejto wiki stránky.

Literatúra

• Product page
• Datasheet 3D magnetometra HMC5883L
• Návod na prepočet získaných dát na stupne
• I2C zbernica
• I2C/TWI pre Arduino

Analýza

Použitý senzor

HMC5883L Bloková schéma

HMC5883L Pinout

HMC5883L je senzor na snímanie slabých magnetických poli využívaný v magnetografii alebo ako kompas. Obsahuje trojicu magnetorezistívnych senzorov HMC118X, obvody pre spracovanie výsledkov a úpravu vlastností senzora, I2C rozhranie a 12 bitový analógovo-číselný prevodník ktorý zabezpečuje smerovú presnosť 1° až 2° pri rozsahu ±8Gs.Využíva jav anizotropickej magnetorezistivity čo zabezpečuje linearitu a vysokú citlivosť pre každú os. HMC5883L je vyrábaný firmou Honeywell v púzdre LPCC-16 s rozmermi 3,0mm x 3,0mm x 0,9mm.

Pinout

C	Pin	Funkcia
1	SCL	Hodinový signál I2C zbernice
2	VDD	Napájacie napätie
3	NC	Nepripojené
4	S1	Napätie IO obvodov
5	NC	Nepripojené
6	NC	Nepripojené
7	NC	Nepripojené
8	SETP	Set/Reset
9	GND	Pripojenie na zem
10	C1	Stabilizačný kondenzátor
11	GND	Pripojenie na zem
12	SETC	Set/Reset kondenzátor
13	VDDIO	Napätie 1.71V IO obvodov
14	NC	Nepripojené
15	DRDY	Pin prerušenia
16	SDA	Dátová linka I2C zbernice

Mapa registrov

Adresa	Názov	Prístup
0h00	Konfiguračný register A	Read/Write
0h01	Konfiguračný register B	Read/Write
0h02	Register nastavenia módu merania	Read/Write
0h03	Dáta osi X MSB	Read
0h04	Dáta osi X LSB	Read
0h05	Dáta osi Z MSB	Read
0h06	Dáta osi Z LSB	Read
0h07	Dáta osi Y MSB	Read
0h08	Dáta osi Y LSB	Read
0h09	Status register	Read
0h10	Identifikačný register A	Read
0h11	Identifikačný register B	Read
0h12	Identifikačný register C	Read

I2C/TWI zbernica

Hodnoty magnetickej indukcie v jednotlivých osiach sú dostupné cez I2C rozhranie čím sa senzor stáva vhodným pre priame pripojenie k mikropočítaču. Hodnoty magnetickej indukcie je možné čítať cez I2C s pravidelnou frekvenciou alebo pri vyvolanom prerušení, podľa nastaveného módu merania.

Pri I2C komunikácii sa používajú dva signály "Serial Clock Line (SCL)" a "Serial Data Line (SDA)". SDA je obojsmerná linka používaná na posielanie a príjem dát z/na rozhranie. Pri prenose sa počíta z externými "pull-up" registrami na SDA a SCL linke. Keď je linka voľná obidva signály sú na vysokej úrovni. Slave adresa akcelerometra je 0x1E. Viac o I2C prenose je uvedené v I2C zbernica.

Postup prenosu jedného bajtu

• Master vyšle štartovaciu podmienku na adresu HMC5883L (0x1E) s RW bitom nastaveným na nulu pre zápis, a MMA8491Q odošle potvrdenie (ACK bit).
• Potom Master vyšle adresu registra, z ktorého chce čítať a HMC5883L pošle potvrdenie (ACK bit).
• Master vyšle opakovanú štartovaciu podmienku a potom adresuje HMC5883L s RW bitom nastaveným na jednotku pre čítanie z predtým vybraného registra.
• HMC5883L potom potvrdí a pošle dáta z požadovaného registra.
• Master nepotvrdzuje príjem, ale vyšle stop podmienku a ukončí prenos dát.

Módy operácie senzora

Senzor HMC5883L funguje v troch meracích režimoch, ktoré sú nastaviteľné pomocou registra s adresou 0h03.

Obsah registra

M7	M6	M5	M4	M3	M2	M1	M0
0/1	0	0	0	0	0	0/1	0/1

Bit M7 nastavuje štandardnú (M7 = 0, default) alebo vysokorýchlostnú (M7 = 1) I2C zbernicu.

Bity M6-M2 sú 0.

Nastavenie M1 a M0

M1	M0	Režim
0	0	Kontinuálny režim
0	1	Režim jedného merania
1	0	Stand-by
1	1	Stand-by

Režimy

Kontinuálny režim

Senzor opakovane meria a zapisuje hodnoty do dátových registrov podľa nastavenej frekvencie. Keď sa zapíše všetkých 6 dátových registrov, pin DRDY prejde do úrovne high až kým sa nezačne ďalšie meranie.

Režim jedného merania

Senzor namerá jednu sadu údajov a zapíše ich do 6 dátových registrov. Po zápise pin DRDY prejde do úrovne high až kým sa nezačne ďalšie meranie alebo niesú dáta prečítané.

Arduino UNO

Stand-by

Meracie a tvarovacie obvody sú neaktívne, funguje iba I2C rozhranie. V tomto režime senzor má senzor nízku spotrebu (2e-6 A).

Riadiaca jednotka

Keďže senzor HMC5883L vysiela dáta o magnetickej indukcii cez zbernicu I2C, ako riadiacu jednotku musíme zvoliť mikropočítač, ktorý podporuje takúto komunikáciu. Arduino Uno poskytuje jednoduchý spôsob pripojenia pre komunikáciu cez I2C zbernicu so senzorom HMC5883L a taktiež poskytuje potrebné napájanie (3.3 V). Napájanie a komunikácia riadiacej jednotky je zabezpečená z PC cez USB rozhranie. Viac na Arduino Uno

Programové prostredie

Program pre činnosť mikropočítača budeme vyvíjať vo voľne dostupnom softvérovom prostredí (IDE) vytvorenom pre tento účel spoločnosťou Arduino. ARDUINO Software 1.6.9

Tento softvér priamo obsahuje knižnicu Wire.h pre komunikáciu cez I2C zbernicu pomocou SDA a SCL vývodov. Na doske pre Arduino Uno sú vývody SDA a SCL umiestnené blízko AREF pinu. Knižnica používa 7-bit adresy zariadení pričom adresy 0-7 sú rezervované.

Popis riešenia

Zapojenie senzora

Senzor s ktorým sme pracovali bol už osadený na doske plošných spojov. Po kontrole dosky sme zistili že výrobca pri osádzaní postupoval podľa odporúčaní datasheetu a pridal aj stabilizátory napätia, pre kompatibilitu s 5V logikou.

PCB layout odporúčaný výrobcom	Modul s HMC5883L a stabilizátormi napäatia

Schéma zapojenia modulu

Algoritmus

Na začiatku programu definujeme použité knižnice. Taktiež definujeme adresu HMC5883L a dve premenné flag a lockHeading.

#include <Wire.h>

#define addr 0x1E

int flag;
float lockHeading;

Nastavenie

Definujeme funkciu setup a spustíme sériovú linku, I2C zbernicu.

void setup()
{
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();

Senzor nastavíme do kontinuálneho meracieho režimu.

  Wire.beginTransmission(addr);
  Wire.write(0x02);
  Wire.write((byte)0x00);
  Wire.endTransmission();

Po sériovej linke pošleme informácie pre užívateľa.

  Serial.println("WELCOME TO iNAV");
  Serial.println("Press button when heading in desired direction and system will lock on.");  
  Serial.println();
  Serial.println();

Počkáme na ustálenie systému a uzavrieme funkciu setup.

  delay(500);
}

Telo programu

Definujeme funkciu loop a premenné pre výsledky pre jednotlivé osi.

void loop()
{
  int x,y,z;

Register pointer senzoru nastavíme na adresu 0x03.

  Wire.beginTransmission(addr);
  Wire.write(0x03);
  Wire.endTransmission();

Prečítame bit na adrese 0x03, uložíme ho ako MSB x-osi. Po prečítaní bitu sa register pointer posunie o jednu adresu a teda prečítame dáta na adrese 0x04 t.z. LSB x-osi. Bitovými operáciami skombinujeme MSB a LSB do jedného 16 bitového čísla. Takto prečítame všetkých 6 dátových bitov.

  Wire.requestFrom(addr, 6);
  if(6<=Wire.available())
     {
      x = Wire.read()<<8; //MSB  x 
      x |= Wire.read(); //LSB  x
      z = Wire.read()<<8; //MSB  z
      z |= Wire.read(); //LSB z
      y = Wire.read()<<8; //MSB y
      y |= Wire.read(); //LSB y
     }

Získané dáta prepočítame na stupne. Keďže iba kompasom nevieme zistiť orientáciu v priestore, smerovanie počítame iba v rovine XY.

  float heading = atan2((double)y,(double)x)*(180/3.1416)+180;

Zistíme či tlačidlo nieje stlačené.

 int key = analogRead(A3);

 if(key>1000)
   {

Ak tlačidlo bolo stlačené tak si smer z premennej heading uložíme do premenej lockHeading a povolíme príznak stlačenia tlačidla flag.

    Serial.println("!!! LOCKED ON !!!");
    Serial.print("HEADING > ");
    Serial.print(heading); 
    Serial.println("Deg");
 
    lockHeading=heading;
    flag=1;
   }

Ak bol požadovaný smer nastavený pokračujeme v podmienke.

 if(flag==1)
 {

Ak je rozdiel heading - lockHeading > 0 znamená to že ak chce užívateľ smerovať v požadovanom smere musí sa otočiť doľava. Vypíšeme odchýlku od žiadaného smeru v stupňoch a smer potrebnej korekcie.

   if((heading - lockHeading)>0)
   {
     Serial.print("Turn left by ");
     Serial.print(abs((heading - lockHeading)));
     Serial.println("Deg");
   }

Ak je rozdiel heading - lockHeading < 0 znamená to že ak chce užívateľ smerovať v požadovanom smere musí sa otočiť do prava. Vypíšeme odchýlku od žiadaného smeru v stupňoch a smer potrebnej korekcie.

   else
   {
     Serial.print("Turn right by ");
     Serial.print(abs((heading - lockHeading)));
     Serial.println("Deg");
   }
 }

Počkáme na ďalší merací cyklus.

 delay(1500);
}