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1、电子磁罗盘设计电子磁罗盘设计方云方云 通信通信092092边志耀边志耀 通信通信092092高振高振 通信通信092092 早在我国北宋时期我们的祖先就发明了简单的可以指示方向的罗盘，用于行军打仗。随着科技的发展，半导体材料的不断出现，集成技术的日益成熟，电子罗盘技术也得到迅速的发展，各种各样的电子罗盘出现在了我们的生活当中，而且扮演着重要角色，尤其是在导航方面。同同时时电电子子罗罗盘盘在在水水平平孔孔和和垂垂直直孔孔测测量量、水水下下勘勘探探、建建筑筑物物定定位位、设设备备维维护护、仿仿真真系系统统、教教育育培培训训、虚虚拟拟现实等方面有着现实等方面有着广泛的应用广泛的应用。背景及应用国内外
2、研究现状 国外有多家公司研究和生产电子罗盘，尤其是以Honeywell(霍尼韦尔）公司的磁阻式电子罗盘和KVH公司生产的磁通门电子罗盘最为著名。国内的电子罗盘研究由于起步比较晚，国内生产和销售电子罗盘的厂家基本都是以代理国外的品牌为主。国内九十年代末开始电子罗盘的研究。大连海事大学关政军教授利用磁阻传感器研制了水平状态下的磁罗经；西北工业大学刘诗斌教授的博士学位论文应用磁通门技术于无人机中并研制了原理样机，对实际应用中的误差进行了智能补偿；其余国内的大部分研究仍停留在利用Honeywell公司的磁阻传感器来制作电子罗盘上，并对产生的误 差进行智能补偿的阶段。因此可以说电子磁罗盘在国内还是有很大
3、的发展空间。电电子子罗罗盘盘主主要要分分为为磁通门、磁阻式和霍尔元件三种。磁通门传感器是由一套环绕磁芯的线圈组成，该磁芯配有励磁电路，能够提供低成本的磁场探测方法，但它们体积偏大、易碎、响应时间慢。霍尔效应磁传感器的优点是体积小，重量轻，功耗小，价格便宜，接口电路简单，特别适用于强磁场的测量。但是，它又有灵敏度低、噪声大、温 度性能差等缺点。虽然有些高灵敏度或采取了聚磁措施霍尔器件也能用于测 量地磁场，但一般都是用于要求不高的场合。电子磁罗盘分类 磁阻传感器现在已经可以做成标准的集成芯片，并且产品也形成了系列。而使用磁阻传感器的电子罗盘克服了磁通门罗盘的不足，具有体积小、重量轻、精度高、可靠性
4、强、响应速度快等优点，是未来电子罗盘的发展方向。我们的设计 基于现状，本文我们采用磁阻传感器来设计电子磁罗盘。设计电子磁罗盘的基本思路：首先考虑到三轴磁阻传感器和加速度计的一些特性，我们采用HMC5883L三轴磁阻传感器进行地球磁场矢量测量，加速度计ADXl202敏感地球重力场中测量载体的姿态，然后通过姿态坐标变换将磁阻传感器沿载体坐标的测量信号变换到地平坐标系。其次我们将磁阻传感器的输出电压信号进行放大，之后送到AD转换器进行模数转换。在微处理器中进行实时姿态计算、坐标变换，系统误差补偿，得到载 体的姿态参数，将它们通过串口在上位机实时输出。最后在微处理器中进行实时姿态计算、坐标变换,系统误
5、差补偿，得到载 体的姿态参数，将它们通过串口在上位机实时输出。三维磁阻传感器双轴加速计A/D转换器复位电路信号调理电路MCU上位机HxHyHzGxGy电子磁罗盘结构示意图电子磁罗盘结构示意图RS22电子磁罗盘基本原理 地球的磁场强度为0.50.6gauss，无无论论何何地地，磁磁场场的的水水平平分分量量永永远远指指向向磁磁北北，这这是是所所有有电电子子罗罗盘盘的的制制作作基基础础。传统的导航定位，通过以下三个姿态参数：航向角()，俯仰角()，横滚角()。将磁阻传感器的三个敏感轴沿载体的三个坐标轴安装，分别测量地磁场磁感强度H在载体坐标系三个坐标上的投影分量(Hx，HY，Hz)。在地平坐标系中，
6、磁阻传感器的三轴输出为(HR-X,HR-Y,HR-Z)，如下图示所示。其中为航向角;为俯仰角;为横滚角xYZHXHYHZ磁北 HR-X=HXcos+HY sinsin-HZ sincos;HR-Y=HX cos+HZ sin;两轴加速计测得的重力加速度为GX、GY已知当地的重力加速度值为g，可得：=arcsin(Gx/g)=arcsin(GY/g)=arctan(HR-Y/HR-X)模块设计 电子罗盘的设计框图如图1所示，可分为3大模块：传感器模块、数据采集模块和MCU模块。系统 首先利用加速度计敏感地球重力场中测量载体的姿态，然后通过姿态坐标变换将磁阻传感器沿载体坐标的测量信号变换到地平坐标
7、系。在微处理器中进行实时姿态计算、坐标变换，系统误差补偿，得到载体的姿态参数，将它们通过串口在上位机实时输出。由于磁阻传感器的输出均为mv级的电压信号，所以必须经过运算放大器放大后，才可以送到AD转换器进行模数转换。本系统所用的磁阻传感器是HMC5883L三轴磁阻传感器，可测量X，Y，Z轴的磁场分量。其磁场测量范围是8G，分辨率可达2mG。传感器尺寸小精度高功耗低，而且内置自测试电路，方便量产测试，无需增加额外昂贵的测试设备。加速计采用了可提供模拟电压输出的小量程、小尺寸、低功耗的两轴加速度计ADXL202，测量范围 是2g。因为传感器本身自带了信号调理电路，所以不需要外路，可以直接接入AD转
8、换器。传感器模块数据采集模块 在传感器测量范围内，磁阻传感器输出的是与磁场成正比的差分电压信号，在5v供电的情况下产 生30mv的偏置电压，因此可通过信号调理电路把双极性的电压信号转换成单极性信号，同时通过模 拟低通滤波，消除高频噪声，最终得到0一5V的电压范围。AD7714是一款高分辨率、低噪声的24位一AD转换器，支持6路单端信号输入满足5路信号的采集要求。MCU模块 作为整个设计的核心部分，微处理器负责对传感器采集的信号进行实时处理，通过姿态矩阵和误差补偿，可以碍到载体的姿态参数。但其计算量较大，普通的单片机不能满足使用要求，本系统最终选用高速DSP芯片作为微处理器。n俗320VC540
9、2是一款性价比极高的16bit定点数字信号处理器，最高工作频率可达looMHz，提供了两个高速、双向、多通道带缓冲的串行接口。置位复位电路是用于消除高强度的磁场对磁阻传感器的影响，使其恢复到测量磁场的高灵敏度状 系统软件设计 系统软件除了完成初始化、AD转换、数据采集、方向角计算和数字量输出外，还要对由于传感器失调、温度漂移以及硬铁和软铁干扰造成的误差进行补偿。失调和温度漂移会在传感器敏感信号上面叠加一个直流偏置，软件通过将传感器在置位和复位情况下得到的信号求平均值，即可得到由于失调和漂移造成的直流偏置信号，在方向角计算前对该偏置信号进行补偿即可消除其影响。原理框图如下所示。开始系统初始化A/
10、D转换器采取磁场和重力场数据数据滤波航向姿态计算误差计算能否输出结束输出相应信息给用户NY软件设计框图系统误差分析及其补偿方法 电子罗盘是通过地球磁场来确定载体航向角，因而不希望有其它磁场叠加到地磁场上，影响磁场的 大小和方向，造成航向角误差。由于磁阻传感器本身的构造和环境因素的影响，误差是不可避免的。主要有磁阻传感器误差、加速度计误差、A/D转换器的误差、温度的影响、近磁场的影响等。磁阻传感器误差 磁阻传感器的主要误差有噪声、线性度、迟滞和重复性误差。为了减少磁阻传感器所引起的误差，我们采用HMC5883三轴磁阻传感器，因为HMC5883三轴磁阻传感器精度高（12度，内置12位A/D,OFF
11、SET,SET/RESET 电路),不会出现磁饱和现象，不会有累加误差。加速度计误差 加速的计而引起的误差某种程度上是依赖于地理位置因为在赤道附近磁场是水平的，HX和HY比较大，小的Z分量作为修正，倾角误差不是很大。但是当靠近磁极附近HX和HY较小，Z分量比较大，倾角误差明显。而倾角误差于方位角有关，南北方向误差较小，东西方向误差比较大。A/D转换器误差 AD转换器实际工作时，都会引入一些误差，主要包括：静态误差、孔径误差和量化误差。各种误差都是以最低有效位(LSB)作为计算单位。1LSB定义为VREF2n，定义中的VREF是指参考电压，而n则是模拟数字转换器的分辨率。例如，14位模拟数字转换
12、器的1 LSB是VREF16 384。温度影响 传感器的温度系数也将影响航向角的精度，两种需要考虑：一种是偏移随温度的漂移，另一种是灵敏度温度系数。由于HMC5883l三个相互垂直轴x、y、z在同一个封装中，他们的温度系数匹配的很好，这样三轴经历相同的温度变化也相同。X和y的比率没有太大的影响。磁阻传感器的偏移随温度漂移并不匹配，两个传感器可能反向漂移，对航向角产生较大误差，在磁阻传感器中采取复位和置位开关电路进行补偿。近磁场影响 电子罗盘平台上的磁性材料及其附近运动的磁性物体都会使电子罗盘周围地磁场发生变形从而影响方位角测量的精度。这就被称为近磁材料的影响。近磁材料的影响可分硬铁影响：来自电
13、子罗盘平台上永久磁铁和被磁化的铁(钢)；软铁影响：来自地磁场和电子罗盘周围软磁材料的相互作用。硬铁影可以通过实验结果进行计算可以补偿消除。此外在使用时尽量使电子罗盘远离近磁材料，这样可以降低外磁场对电子磁罗盘的影响，比任何补偿都好。主要元件的性能指标HMC5883三轴磁阻传感器的性能指标：1、数字量输出：I2C数字量输出接口,设计使用方便。2、尺寸小:3x3x0.9mmLCC封装，适合大规模量产使用。3、精度高：12度，内置12位A/D,OFFSET,SET/RESET 电路,不会出现磁饱和现象，不会有累加误差。4、支持自动校准程序，简化使用步骤，终端产品使用 非常方便。5、内置自测试电路，方
14、便量产测试，无需增加额外昂 贵的测试设备。6、功耗低：供电电压1.8V,功耗睡眠模式-2.5微测量 模式-0.6mA。加速度计ADXL202的性能指标：1、具有脉宽占空比输出；2、低功耗；3、高分辨率；4、精度高；元件的参考价格参考价格如下表序号元件名称型号价格1三轴磁阻传感器HMC5883l13元2加速度计adxl202aqc 10元3单片机AT89C2051 3元/片 4AD转换器AD771415结论 基于磁阻传感器hmc5883l和MEMS加速传感器ADXl202设计的三轴电子罗盘，通过采用信号差分放大电路、置位复位电路及合理的软件补偿，有效地抑制了传感器的失调、漂移以及外界磁场对传感器的影响，并借助高性能微处理器完成了电子罗盘误差的校正，最终实现了电子罗盘的小型化、数字化，并获得了较高的精度。具有很大的应用前景，是定向设备发展方向。参考文献1、郑玉冰、章雪挺、刘敬彪.AMR电子罗盘的设计及其误差补偿。2、王勇军、李军、李翔.三轴电子罗盘的设计与误差校正。3、郭检柟.基于磁阻芯片和MSP430单片机的电子罗盘设计。4、刘武发、蒋蓁、龚振邦.基于磁阻和MEMS加速传感器的电子罗盘设计及应用。分工1、综述共同完成2、原理图、PCB制作、元器件焊接将由边志耀完成。3、电子罗盘的软件设计及编程将由方云完成。4、电子罗盘设计完成后的参数确定、误差分析及计 算由高振负责。