基于KMZ52的電子指南針設(shè)計(jì)-新品速遞VIP

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電子產(chǎn)品世界/天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院劉素劉魯源韓堯松引言

指南針是重要的導(dǎo)航工具，在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。電子指南針將替代羅盤指南針，因?yàn)樗坎捎霉虘B(tài)元件，而且可以方便的和其他電子系統(tǒng)連接。電子指南針系統(tǒng)中磁場(chǎng)傳感器的磁阻（MR）技術(shù)是的解決方法，它比磁通量閘門傳感器和霍爾元件都更先進(jìn)。KMZ52芯片就運(yùn)用磁阻技術(shù)，而且還具有體積小、精度高、穩(wěn)定性好、價(jià)格低等特點(diǎn)，是理想的導(dǎo)航元件。但是地球磁場(chǎng)和電子指南針本身的特點(diǎn)，在測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)會(huì)有些偏差，所以要進(jìn)行傳感器偏差補(bǔ)償、干涉磁場(chǎng)校正、正北校正、傾斜校正等，才能得到正確的結(jié)果。文中利用KMZ52芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電子指南針，給出了電子指南針的電路原理圖，利用了閉環(huán)負(fù)反饋原理進(jìn)行偏差補(bǔ)償。

指南針

圖1是地球某一點(diǎn)的地球磁場(chǎng)向量He的三維圖（其中，x和y軸與地球表面平行，z軸垂直指向下）。指南針的基本任務(wù)就是測(cè)量磁場(chǎng)北極（圖中的Heh，即地球磁場(chǎng)的水平分量）與前進(jìn)方向的夾角（方位角α），由圖1可知：

圖1中，α是從磁場(chǎng)的北極順時(shí)針計(jì)算的（如，東是90o，西是270o）；磁傾角δ是地球磁場(chǎng)向量與水平面的夾角（赤道處為零，極點(diǎn)處達(dá)到±90o）；磁偏角λ是地理北極與磁場(chǎng)北極間的夾角（它與地球的實(shí)際位置有關(guān)）。

電子指南針電路

經(jīng)改進(jìn)的電子指南針的結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示，主要分為四個(gè)部分，即磁場(chǎng)傳感器（模塊1）、信號(hào)調(diào)節(jié)單元（模塊2、3、4、5、6、7、8）、方向定位單元（模塊9）和顯示界面（模塊10）。

模塊1是采用磁阻技術(shù)的二維磁場(chǎng)傳感器KMZ52，用于測(cè)量地球磁場(chǎng)兩個(gè)水平分量Hex和Hey的大小，它集成了兩個(gè)補(bǔ)償線圈和兩個(gè)翻轉(zhuǎn)線圈；模塊2的兩路輸入連接模塊1的兩路輸出，用于放大傳感器輸出的微弱信號(hào)；模塊5是用4011B實(shí)現(xiàn)的方波產(chǎn)生電路，信號(hào)輸出同時(shí)與模塊3和模塊6連接，使兩個(gè)模塊同步工作；接入模塊3的方波信號(hào)用來控制MAX392模擬開關(guān)，使模塊3的放大倍數(shù)在1和－1之間變化，實(shí)現(xiàn)了圖3(c)所示的信號(hào)翻轉(zhuǎn)；接入模塊6的方波信號(hào)通過達(dá)林頓管，產(chǎn)生快速電流脈沖，來激勵(lì)模塊1中的兩個(gè)翻轉(zhuǎn)線圈；模塊4利用閉環(huán)負(fù)反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電路，連接KMZ52的兩個(gè)補(bǔ)償線圈；模塊7是參考電壓（5V）產(chǎn)生電路；輸出信號(hào)Vx和Vy通過模塊8的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；再通過模塊9的ARM芯片，計(jì)算方位角α；通過模塊10的顯示界面，顯示方位信息。

KMZ52實(shí)現(xiàn)電子指南針的主要偏差補(bǔ)償及校正

傳感器偏移補(bǔ)償

在磁場(chǎng)強(qiáng)度為15A/m（地球磁場(chǎng)值），傳感器靈敏度為典型值80mV/(KA/m)（Vcc=5V）的條件下，KMZ52的輸出幅度約為1.2mV；而Vcc=5V時(shí)，由于KMZ52本身偏差及溫度漂移的影響，偏差電壓可達(dá)到±7.5mV，溫度漂移電壓為1.5mV，都比傳感器輸出電壓1.2mV高很多，所以指南針系統(tǒng)的內(nèi)部偏移補(bǔ)償是很重要的。

應(yīng)用“跳轉(zhuǎn)技術(shù)”可以消除偏移，即在KMZ52的置位/復(fù)位線圈中通上正負(fù)脈沖電流，傳感器的特性和輸出信號(hào)就會(huì)周期地反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)傳感器信號(hào)的幅值包含了需要的磁場(chǎng)信號(hào)，而傳感器偏移是一個(gè)純直流信號(hào)，通過放大級(jí)中的高通濾波器，可以除去這一直流信號(hào)，同時(shí)消除偏差和溫漂造成的偏移。圖3是跳轉(zhuǎn)技術(shù)的波形圖，a是得到的輸出信號(hào)，b是濾波去除偏移后的信號(hào)，c是翻轉(zhuǎn)后得到的原來信號(hào)。在圖2設(shè)計(jì)的電路圖中，運(yùn)用MAX392模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)正負(fù)脈沖電路，它的四路開關(guān)可以同時(shí)控制兩路通道，使兩路通道具有更好的一致性；運(yùn)用達(dá)林頓管，可以使正負(fù)電流脈沖時(shí)間非常短（幾μm），幅度達(dá)到1A，滿足了對(duì)電流脈沖的要求。

在某一點(diǎn)對(duì)x和y通道分別進(jìn)行了測(cè)試，輸出電壓范圍分別是：x（0.89-8.78V）、y(0.89-8.79V)，具有良好的一致性。經(jīng)過跳轉(zhuǎn)技術(shù)處理后，輸出電壓應(yīng)以參考電壓5V為中心（如圖3），實(shí)際的輸出值，x和y通道分別以4.835和4.84為中心，與要求的5V相比，相對(duì)誤差小于4%，滿足指南針的精度要求。

干涉磁場(chǎng)校正

實(shí)際應(yīng)用中，指南針附近的地球磁場(chǎng)可能會(huì)受到其他磁場(chǎng)或附近的含鐵金屬干擾，為了獲得可靠的方位角，有效的補(bǔ)償上述影響是很必要的。干涉磁場(chǎng)對(duì)指南針的影響可以由測(cè)試圖（指南針旋轉(zhuǎn)360o時(shí)，SCU輸出信號(hào)Vy-Vx圖）進(jìn)行估計(jì)。沒有干涉磁場(chǎng)時(shí)，圖形是一個(gè)中心在參考原點(diǎn)，半徑為地球磁場(chǎng)強(qiáng)度He的圓?；镜膬煞N干涉磁場(chǎng)是“硬鐵效應(yīng)”和“軟鐵效應(yīng)”，“硬鐵效應(yīng)”是由與指南針固定位置的磁體產(chǎn)生的，在測(cè)試圖中表現(xiàn)為圓心移動(dòng)到（Hix,Hiy）,Hix和Hiy是干涉磁場(chǎng)的分量；含鐵金屬對(duì)地球磁場(chǎng)的影響表現(xiàn)為“軟鐵效應(yīng)”，在測(cè)試圖中表現(xiàn)為圓的變形。實(shí)際中，“硬鐵效應(yīng)”一般比“軟鐵效應(yīng)”強(qiáng)的多。

如果忽略軟鐵效應(yīng)（倘若指南針附近沒有磁鐵性材料，軟鐵效應(yīng)是非常微弱的），可以用“雙向校正”法校正。指南針在同一地點(diǎn)測(cè)得方向相差180o的兩個(gè)磁場(chǎng)值（H1和H2），儲(chǔ)存兩個(gè)測(cè)量值的磁場(chǎng)分量Hx和Hy，由于指南針的磁場(chǎng)等于地球磁場(chǎng)向量He與干涉磁場(chǎng)向量Hi的矢量和（旋轉(zhuǎn)后，He大小相等方向相反；Hi的場(chǎng)源與指南針關(guān)系固定，不發(fā)生變化），可以得到干涉磁場(chǎng)分量：測(cè)得干涉磁場(chǎng)分量后，可以在補(bǔ)償線圈中通以相應(yīng)大小的電流，產(chǎn)生反向磁場(chǎng)分量-Hix和-Hiy，以補(bǔ)償干涉磁場(chǎng)。圖4是“硬鐵效應(yīng)”補(bǔ)償前后兩組數(shù)據(jù)的仿真圖，補(bǔ)償前圖形大致以（3.5,6.5）為圓心（圖4a），補(bǔ)償后圖形基本上是以（5.0，5.0）為中心（圖4b），“硬鐵效應(yīng)”得到補(bǔ)償。

行車試驗(yàn)

將電子指南針方向（X軸所指方向）向東，然后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)360°，觀察其兩軸的電壓輸出，以及解算出的角度值。

從圖5可以看出，隨著指南針的旋轉(zhuǎn)，兩軸的輸出呈正弦曲線，符合地球磁場(chǎng)在其傳感器上投影的規(guī)律；圖6表明，電子指南針方位角輸出從110_開始逐漸上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)360_（北）時(shí)，有一個(gè)向0_變化的連續(xù)跳躍，這是由于噪聲引起的，然后從0_又逐漸上升到初始位置，符合實(shí)際電子指南針運(yùn)動(dòng)軌跡。

結(jié)語

利用KMZ52芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電子指南針，分析了由于地球磁場(chǎng)和KMZ52芯片固有的特性而引起的偏差，給出了補(bǔ)償方法，達(dá)到了精度要求。所設(shè)計(jì)的電子指南針模塊已用于車載導(dǎo)航系統(tǒng)中，電路工作穩(wěn)定，起到了很好的輔助導(dǎo)航作用。

參考文獻(xiàn):