一種電子羅盤的電路設(shè)計(jì)

姚麗青，楊文杰

( 山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原030013)

基于磁阻傳感器和加速度傳感器的電子羅盤具有體積小、重量輕、精度高、可靠性強(qiáng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)［1］，被廣泛應(yīng)用于航空、航海、交通、電子通訊等領(lǐng)域，也應(yīng)用于智能手機(jī)等生活類電子產(chǎn)品中．具體可以配合車載GPS 導(dǎo)航(GPS 進(jìn)入隧道或速度低于20km/h 就會(huì)失效)、電信基站天線角度的測(cè)量、大型機(jī)械平臺(tái)的水平測(cè)量、手機(jī)、游戲桿等產(chǎn)品中．本設(shè)計(jì)中的電子羅盤采用Honeywell 公司的兩軸磁阻傳感器HMC1052L(x，y)，單軸磁阻傳感器HMC1021Z 以及MEMS 重力加速度傳感器MXD2020E，采用MSP430F247 單片機(jī)采集處理傳感器信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理和算法補(bǔ)償后，羅盤系統(tǒng)精度基本上可以達(dá)到± 1°．該羅盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，已經(jīng)被用到電信基站天線角度監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)有很好的推廣和利用價(jià)值．本文中的電子羅盤固定在載體上，通過(guò)自身的加速度傳感器和磁阻傳感器分別測(cè)量出重力加速度在載體坐標(biāo)系中的兩個(gè)分量與地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度在載體坐標(biāo)系中的分量，通過(guò)CPU 的處理確定出載體的具體方位，載體與水平地面間的夾角．

1 電子羅盤的基本原理

1．1 坐標(biāo)系統(tǒng)

地球的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0．5～0．6 gauss，無(wú)論何地，磁場(chǎng)的水平分量永遠(yuǎn)指向磁北，這是所有磁羅盤的制作基礎(chǔ)［2］．傳統(tǒng)的導(dǎo)航定位，通過(guò)3 個(gè)角度，即方位角α、俯仰角θ 和橫滾角φ 定義了姿態(tài)參數(shù)，實(shí)際上就是載體坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系之間的方位關(guān)系．現(xiàn)在取兩個(gè)坐標(biāo)系OXYZ與O 'X'Y'Z'，OXYZ為地理坐標(biāo)系，OX在當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)指向地理北極，OY在水平面內(nèi)與OX垂直在OX右方，OZ與OX、OY構(gòu)成右螺旋關(guān)系，即沿重力加速度方向．方位角α 定義為沿Z軸方向看去OXY繞Z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度為正，俯仰角θ 定義為沿Y軸方向看去OZX繞Y軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度為正，橫滾角φ 定義為沿X軸方向看去OYZ繞X軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度為正．O'X'Y'Z'固定在載體上，以載體質(zhì)心為原點(diǎn)，平面直角坐標(biāo)系O'X'Y'固定在載體的對(duì)稱平面上，

O'Z'沿由O'X'至O'Y'的右螺旋前進(jìn)方向．坐標(biāo)系OXYZ先繞Y軸轉(zhuǎn)過(guò)θ，再繞X軸旋轉(zhuǎn)φ 與坐標(biāo)系O'X'Y'Z'重合．要了解載體在空間的姿態(tài)，就必須測(cè)出方位角α、俯仰角θ 和橫滾角φ．

1．2 各各角度的測(cè)量原理

加速度矢量在坐標(biāo)系OXYZ中表示為［0 0g］T，在坐標(biāo)系O'X'Y'Z'中為［g'x g'y g'z］T，根據(jù)坐標(biāo)系O'X'Y'Z'、OXYZ之間的變換關(guān)系，它們的關(guān)系為:

即:

磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量在坐標(biāo)系OXYZ中表示為，在坐標(biāo)系O'X'Y'Z'中為中三個(gè)量由磁阻傳感器測(cè)出，根據(jù)坐標(biāo)系OXYZ、O'X'Y'Z'之間的變換關(guān)系，它們之間的關(guān)系為:

方位角α=arctanHx/Hy，至此載體在空間的方位由它的方位角α、俯仰角θ 和橫滾角φ 完全確定．

2 電子羅盤系統(tǒng)

電子羅盤的硬件原理框圖如圖1 所示．本系統(tǒng)選用MXD2020兩軸重力加速度傳感器Honeywell 公司的兩軸磁阻傳感器HMC1052L(x，y)，單軸磁阻傳感器HMC1021Z，分別獲得載體平面的重力加速度分量和三維空間的地磁場(chǎng)分量，采用MSP430F247 單片機(jī)采集處理傳感器信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理和算法補(bǔ)償后，測(cè)得載體的姿態(tài)參數(shù)并通過(guò)Rs485 傳入上位機(jī)．

2．1 微處理器

微處理器的原理圖見圖2，該系統(tǒng)采用TI 公司的16 位RISC 結(jié)構(gòu)超低功耗單片機(jī)MSP430F247 作微處理器，本處理器擁有超低功耗，片上資源豐富，擁有60 KB Flash ROM，4kB RAM，32 路通用I/O 口，8 路12－Bit A/D 轉(zhuǎn)換器，10 個(gè)可捕獲比較的定時(shí)計(jì)數(shù)器，兩個(gè)異步通用串行口，JTAG 調(diào)試口，等外圍電路，便于開發(fā)和二次開發(fā)［2－3］．

2．2 加速度傳感器模塊設(shè)計(jì)

圖1 電子羅盤系統(tǒng)框圖Fig．1 Electronic compass system block diagram

由原理分析可知，加速度傳感器只需要X，Y兩軸便可，本設(shè)計(jì)選用MXD2020．MXD2020 所測(cè)重力加速度與Dout 輸出的脈沖占空比成正比，且加速度為0 時(shí)占空比為0．5，量程因子為0．2/g［4］．用MSP430F247 的TA0 測(cè)量X軸的占空比，TA1 測(cè)量Y軸的占空比，gx=(T1x/T2x－0．5)g/0．2=gsinθ，gy=(T1y/T2y－0．5)g/0．2=gsinφ．由此可知:

每次測(cè)量開始，設(shè)為上升沿中斷，時(shí)鐘源1 μs，第一次中斷打開計(jì)時(shí)器，并改為下降沿中斷，第二次中斷再改為上升沿中斷，同時(shí)捕獲脈沖“ON”計(jì)時(shí)值T1，第三次中斷中捕獲T2 計(jì)時(shí)值，并關(guān)閉中斷．T1，T2 測(cè)得，代入式(6)可求得角θ，φ，與水平面真夾角．

2．3 磁阻傳感器設(shè)計(jì)

用MSP430F247 的A0，A1，A2 對(duì)Hx'，Hy'，Hz'軸的磁場(chǎng)分量做A/D 轉(zhuǎn)換，Avcc 接3．3 v 并選為Verf A/D 參考電壓，精密三運(yùn)放AD623 作為磁阻傳感器信號(hào)放大，為區(qū)分磁場(chǎng)極性用一片AD623 做一精密二分壓電路，將3．3v 分為1．65v 作為磁阻傳感器信號(hào)放大器AD623 的參考 電 壓 Vref． HMC1052，HMC1051 的敏感電壓(sensitivity)為1．2(max)mV/V/gauss 橋路偏置電壓bridge offset 為1．25 mV/V，名義電壓設(shè)為0．135 mV/V 則HMC1052 ，1051 的最大輸出電壓為1．335×5×0．625+(1．25+0．135)×5=10．425 mV，取整為10 mV，增益Gain=1．65/0．01=165，Rg=637［5］，IRF7509 組成“H”橋路對(duì)磁阻阻傳感器置位/復(fù)位電路，假設(shè)置位后測(cè)得值為Mset(x，y，z)，復(fù)位后測(cè)得值為Mres(x，y，z)，實(shí)際磁場(chǎng)值為H(x，y，z)則offset(x，y，z)=Mset(x，y，z)+Mres(x，y，z)－4096，H(x，y，z)=Mset(x，y，z)－offset(x，y，z)－2048．Hx，Hy，Hz，φ，θ 前已求得，自然可求得航向角［4］．

圖2 微處理器原理圖Fig．2 The principle diagram of the microprocessor

圖3 加速度傳感器原理圖Fig．3 The principle diagram of the acceleration sensor

當(dāng)(Hx＜0)時(shí)，航向角α=π－arcTan(Hx/Hy);當(dāng)(H＞0，Hy＜0)時(shí)，航向角α=－arcTan(Hx/Hy);

當(dāng)(Hx＞0，Hy＞0)時(shí)，航向角α=2π－arcTan(Hx/Hy);

當(dāng)(Hx=0，Hy＜0)時(shí)，航向角α=π/2;當(dāng)(Hx=0，Hy＞0)時(shí)，航向角α=3π/2．

圖4 X、Y 軸磁場(chǎng)分量測(cè)量電路Fig．4 X，Y axis magnetic field component measurement circuit

圖5 Z 軸磁場(chǎng)分量測(cè)量電路Fig．5 The Z axis magnetic field component measurement circuit

3 誤差補(bǔ)償

圖6 為用MATLAB 求得的誤差擬合函數(shù)，其中* 為航向角誤差值，曲線為擬合函數(shù)曲線，由圖可知除130°與180°誤差在1 度左右外，其它角度誤差擬合函數(shù)相當(dāng)好，f(α)=a+bsinα+ccosα+dsin2α+ecos2α(因?yàn)檎`碼差與實(shí)測(cè)航向角的函數(shù)關(guān)系具有周期性，所以可設(shè)該函數(shù)為富里葉級(jí)數(shù)前5 項(xiàng)，由MATLAB 可求得a，b，c，d，e 系數(shù))

圖6 航向角誤差擬合函數(shù)圖Fig．6 Course angle error of fitting function diagram

4 結(jié)語(yǔ)

基于Honeywell 公司生產(chǎn)的磁阻傳感器芯片研制的電子羅盤系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、抗震性高、穩(wěn)定性好;同時(shí)硬件價(jià)格低廉、成本低、功耗?。捎玫幕谧钚《朔ㄎ恢昧_差補(bǔ)償法是羅盤誤差補(bǔ)償方法中的一種，該方法相比較神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差補(bǔ)償方法、橢圓擬合誤差補(bǔ)償方法來(lái)說(shuō)，有較高的測(cè)量精度，只要計(jì)算出系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償函數(shù)系數(shù)，羅盤系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償校正，操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)．實(shí)驗(yàn)證明該電子羅盤系統(tǒng)可應(yīng)用在普通導(dǎo)航領(lǐng)域．

［1］ 劉敬彪，鄭玉冰，章雪挺． 三軸磁羅盤的設(shè)計(jì)與誤差校正［J］．自動(dòng)化儀表，2008(9):10－12．

［2］ 袁信，俞濟(jì)祥，陳哲．導(dǎo)航系統(tǒng)［M］．北京:航空工業(yè)出版社，1993:2－ 2．

［3］ Honeywell Application Note:AN205l［EB/OL］．(2007－10－08)［2014－07－01］．www．magneticsensors．com．

［4］ Michael J．Caruso Applications of Magneto Resistive Sensors in Navigation System［J］．Sensors and Act uators，1997，21:357－342．