基于低功耗藍牙的磁力計在線校準系統設計

姜德軍 李映

摘 要：隨著移動智能設備的發展，MEMS磁力計的應用也日漸非常廣泛。從手機到無人機，從虛擬現實設備（VR/AR）到多自由度遙控器皆可見磁力計的身影。但是磁力計由于自身的一些特點如個體差異性比較大、容易受工程設計和應用環境的影響等，磁力計校準系統必不可少。而常見的磁力計校準算法對內存、CPU等資源的要求比較高，不適用于一些嵌入式的微型設備。本項目通過基于低功耗藍牙（BLE）通信設計了一套自動化的在線校準系統，可以應用于工廠生產環境或者實際用戶環境的磁力計校準。

關鍵詞：磁力計;低功耗藍牙（BLE）;校準

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0039-02

磁力計在測量、能源、醫療監控、管道監控、自然災害、工業、國防和航空以及消費電子產品中有著廣泛的應用，2017年全球磁力計市場收入為86.6億美元。依據美國透明市場研究（Transparent Market Research）公司的預測，預計磁力計市場還將在至2025年的預測期內保持8.7%的復合年增長率，到2025年將達到136.6億美元。磁力計在使用過程中，會受到周圍環境中的電磁干擾，局部電磁環境疊到加地磁環境中從而導致測量數據存在一定的誤差，使用前一般需要先對磁力計進行校準，并在使用時使用校準數據對磁力計進行數據修正。本文針對微型系統設計了一套校準系統，具有速度快精度高的特點。

1 磁力計校準技術概述

MEMS磁力計設計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是一種具有晶體結構的合金材料，外界磁場的強弱變化會導致AMR自身電阻值發生變化，磁力計內嵌微處理器根據電阻變化計算出磁場強度和方向。

磁力計主要目的是檢測地磁數據，但是通常地磁和局部干擾磁場疊加在一起。局部磁場的產生因素較多，例如磁力計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。根據安培定律電流通過的導線也會產生磁場，所以磁力計附近的走線也會引入局部干擾磁場。

優秀的硬件版圖設計會盡量減少這種影響，例如避免磁力計附近有大塊金屬，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。

一般可以認為，局部干擾磁場γ在磁力計所在點可以視為一個恒定的矢量。 校準這些局部磁場干擾其本質就是通過計算將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的幾何方法進行橢球擬合等。這些校準算法在個人電腦（PC）或者類似手機這種有較多CPU和內存資源的系統上實現并不復雜，可以直接內嵌到設備內部。但是對于遙控器、無人機這種基于微處理方案的設備來說就很困難，例如其可能本身內存只有幾十KB無法放下校準算法，這就需要一套獨立的系統設計來做校準。

2 在線校準系統設計

2.1 系統架構

如圖1所示，整體校準系統分為兩個部分，一部分為設備端也就是被校準設備，另外一部分為主機端。兩個部分以低功耗藍牙進行通信。

設備端主要工作是對磁力計進行數據采樣，將原始數據通過BLE芯片發送給主機系統。同時在主機完成校準時，將主機回寫到設備的校準矩陣保存至內部閃存（Flash），這樣在設備掉電或者重啟后依然有準確的校準數據可以應用。

主機端通過外接藍牙模塊接受設備端數據，轉換成串口（COM）數據輸出至個人計算機（PC），PC端主要運行校準程序，做橢球擬合，做完擬合的數據將自動發送回設備端。

2.2 通訊協議

考慮到磁力計數據流不屬于低功耗藍牙的標準配置文件，為了實現磁力計數據和校驗回寫數據的傳輸，我們在低功耗藍牙協議基礎上定義了一個Calibration Service，制定了設備端和主機端之間的數據傳輸方式。Calibration? Service基于BLE屬性應用規范（Generic Attribute Profile，簡稱GATT），GATT指定了數據交互的結構，這個結構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，其他為輔助服務。主要服務及特征見表1和表2。

3 設備端設計

以磁力計LIS3MDL為例如圖2所示，LIS3MDL通過I2C連接到Nordic 52822 I2C1端口，同時也需要將DRDY和INT管腳連接到Nordic 52822的兩個GPIO上用于中斷響應和數據狀態監測。其中I2C的SCL、SDA需要外接4.7k歐姆的上拉電阻。

軟件設計上，校準服務并不是默認打開的，而是設計為用戶通過組合按鍵打開或者關閉校準服務，這樣的設計有利于降低設備實際使用功耗。當用戶按下組合鍵打開校準服務時，軟件發送區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服務（Calibration Service） 的UUID。主機端程序只有在發現該UUID情況下才會連接被測試設備。

當主機連接上校準服務后，設備端開始對磁力計進行采樣，磁力計在完成一次數據采樣后會通過中斷通知藍牙芯片數據有效可以讀取。由于磁力計普遍采樣率不高，一般為80Hz，相同的我們可以選擇BLE以相同的連接間隔（Connection Interval）交互數據，提升交互效率。同時注冊回調函數，當接受到主機端回寫數據時，將回寫的校準矩陣保存至內部Flash。再關閉校準服務，斷開藍牙連接。

4 主機端設計

如圖1所示主機端硬件無需特別設計，直接使用Nordic 52832開發板作為低功耗藍牙收發設備，其通過USB連接到Windows平臺的PC上即可。

主機端軟件包含兩個部分，運行在Nordic 52832開發板上的固件和運行在PC上的校準程序。

固件設計為程序開始自動進入設備掃描狀態，監聽周圍設備的廣播包，當發現有設備廣播包含有校準服務的UUID時就連接該設備。當多個設備都具有該UUID時，對所有設備的信號強度（RSSI）進行排序，選擇RSSI最大的一個進行連接。為了避免工廠環境中過多的設備影響自動連接，需要預先定義一個閾值，典型的低功耗藍牙1米距離RSSI為-40dBm， 我們只對大于-40dBm的設備進行比較排序。這樣實際校準時只要將被校準設備移動至主機1米內，校準過程自動開始。

低功耗藍牙連接建立后，固件自動從設備端開始讀取磁力計原始數據，并格式化輸出數據至串口。PC端程序從串口讀取數據，進行數據擬合，擬合過程可以通過動畫方式實時輸出至顯示器。校準完成時發送校準矩陣至串口，低功耗藍牙收發設備將串口數據打包為藍牙數據，發送至設備端，從而完成校準流程。當設備端斷開連接時，主機端重新進入掃描模式，為校準下一個設備做準備。

5 結語

基于本設計的在線校準系統通過低功耗藍牙傳輸磁力計數據，保持了設備端的輕量級，同時充分利用PC強大的數據處理能力，使得校準數據精度更高。該系統使用方便快捷，基于無線連接可以方便手持設備在空中畫8字。被校準設備只要放置在主機附近，主機會自動掃描附近的設備，建立藍牙連接并讀取磁力計數據，數據擬合度滿足條件時回寫校準數據至設備端。配合PC端的軟件還可以實時監控擬合結果，可以滿足工廠生產環境下高頻次的校準需求。

參考文獻

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