基于GMR传感器的车载二维电子罗盘设计

龚天平，时劭华

（1.东方微磁科技有限责任公司，宜昌 443003；2.杭州电子科技大学 磁电子中心）

引 言

罗盘是一种常用的导航工具，从原理上可以分为机械罗盘和电子罗盘。机械罗盘曾在人类历史上发挥了巨大作用，但是时至今日，人类已经全面迈入了电气化时代，交通工具大都是铁磁性物体，磁干扰较大，传统的机械罗盘由于无法校准环境干扰误差，在车载等领域中误差较大，实用性较差。

本文研究了一款基于GMR传感器的车载二维电子罗盘。本罗盘体积较小，精度较高，具有一定抗干扰能力。经实测，精度可达±2°；消耗电流为3mA以内；在强干扰环境下，通过校准可以保证在±3°以内，具有较高的实用价值。

1 自旋阀GMR传感器特性

本设计选用东方微磁公司自主研发的二维自旋阀GMR传感器SAS022作为电子罗盘的磁敏元件。该传感器内部封装了两个敏感轴相互垂直的自旋阀器件。自旋阀器件采用惠斯通电桥结构，由4个自旋阀电阻组成，其中两个电阻被软磁材料屏蔽，另外两个电阻可在外磁场的作用下发生变化从而使电桥失衡，形成输出。经测试，SAS022自旋阀传感器在－10～＋10Oe的响应应曲线如图1所示，在－1～＋1Oe的响应曲线如图2所示。

图1 SAS022在－10～＋10Oe的响应曲线

在－10～＋10Oe范围内，传感器的灵敏度为3.67 mV／（V·Oe），磁滞为0.3%；在－1～＋1Oe范围内，传感器的灵敏度为3.67mV／（V·Oe），磁滞为0.27%，非线性度为0.37%。地磁场磁感应强度在0.6Oe内，SAS022在±1Oe内线性度较好，可满足通用电子罗盘对传感器的要求。

图2 SAS022在－1～＋1Oe的响应曲线

2 二维电子罗盘硬件设计

二维电子罗盘硬件部分主要包括传感器部分、RC低通滤波器、信号处理部分和电源部分，电子罗盘硬件结构图如图3所示。

图3 电子罗盘硬件结构图

本设计使用MSP430AFE253单片机内部自带的Δ－Σ A／D进行信号放大和模／数转换。MSP430AFE253内部集成了3个独立的Δ－ΣA／D模块，保证精度的同时确保了转换速率。电源芯片使用低压差线性稳压模块LP2980－3.0，SOT－23封装，经实测罗盘电流为3mA，可满足散热要求。针对选用调理方案进行地回路隔离设计，确保精度。

2.1 信号调理电路设计

Δ－ΣA／D是模数转换器的一种，其构架决定了这种转换器非常适合于桥式传感器的信号调理，本设计采用这种调理方案。Δ－ΣA／D的结构图如图4[1]所示。

图4 Δ-ΣA／D结构图

这种构架的模／数转换器通过过采样提高分辨率。由于输入信号被高于输出转换速率K倍进行采样，信号在频域中由采样产生的F（ω）分量之间的带宽大于奈奎斯特定律要求的带宽，这样可以简化模拟输入滤波器设计，经过实验选用RC低通滤波器即可保证精度。模拟信号经过比较器后，转换为1位码流，单个1位码流没有任何意义，需要后端的数字滤波器进行加权平均和数字滤波。1位码流通过1位DAC反馈，与输入信号经过减法器输入到积分器中，再经过比较器转换成1位码流信号。

通过过采样可以提高分辨率，但是使用传统的方法需要4次过采样才能提高1位有效分辨率[2]，如果要达到20位的有效分辨率，需要22×20次采样。Δ－ΣA／D内部的积分器相当于一个低通滤波器，将低频信号噪声平移到高频。假设输入信号为X、输出信号为Y，积分器响应函数为H（f）＝1／f。积分器传递函数如图5所示，可以进行如下推导：

由公式可以得出，当f越接近0Hz时，Y越接近X；当f越大时，Y就越接近量化噪声[3]。

图5 积分器传递函数

MSP430AFE253内部集成的是二阶Δ－ΣA／D。阶数越多，在带宽内量化噪音越小，得到相同的分辨率就只需要较少的采样次数。阶数越高，量化噪音平移效果越好，如图6所示。

图6 阶数与量化噪音平移效果图

由于Δ－ΣA／D内部自带放大器采用开关电容实现，RC低通滤波器的时间常数会影响到A／D转换器的失调误差和线性度[4]，因此要根据不同的放大倍数进行试验。MSP430AFE253内部自带最大放大32倍的PGA，本设计将其配置为32倍。电阻选用100Ω，电容选择1nF。

2.2 电源部分设计

电源芯片选用SOT－23封装的低压差线性稳压芯片LP2980－3.0，最大输入电压为16V，当输出电流在10mA以内时，最小压差可以低至100mV。实测本罗盘工作电流为3mA，假设当输入电压为16V时，为保证LP2980－3.0的散热，最大的外部环境温度为：

SOT－23封装的θJA＝220 ℃／W；LP2980－3.0最大工作温度TJ（MAX）＝125℃；当输入电压为16V时，最大功耗P＝0.039W。由以上公式得出，SOT－23封装LP2980－3.0最高可以工作在外部123℃的环境中。

电源芯片为系统提供3V电压，将其分割为模拟电源和数字电源，对其各自所属器件单独供电。PCB布板时，将模拟地与数字地分割，使用0Ω电阻在一点连接[5]，防止高频数字电流灌入模拟地[6]，影响模拟器件性能。

3 测试结果分析

本罗盘在国防科技工业弱磁一级计量站进行测试，测试无干扰和有干扰情况下罗盘精度。

第一步，保证罗盘周围没有铁磁物体，测试前先发送测试指令，将罗盘旋转一周进行校准。第二步，在罗盘周围放置一块铁磁物体，罗盘不再校准测试。第三步，铁磁物体与罗盘保持相对位置不变，发送校准指令，旋转罗盘进行校准，再测试。测试结果如表1所列。

表1 测试数据

根据以上数据可以得出，在无干扰情况下精度可达＋1.7°～－1.5°。当外部有较强的铁磁干扰时，电子罗盘的精度会受到很大干扰，实用价值较低。经过校准精度为＋2.5°～－2.5°，具有较高的工程应用价值。

结 语

电子罗盘目前一个较为热门的应用方向是与GPS结合使用，但是功耗、价格、体积和精度等因素将制约其应用范围。针对不同的设计应将这些要点折中考虑，使其应用价值最大化[7－8]。

[1] Bonnie Baker.A Baker＇s Dozen：Real Analog Solutions for Digital Designers[M].Oxford：Newnes，2005.

[2] W R Bennett.Spectra of Quantized Signals[J].Bell System Technical Journal，1948（27）：446－471.

[3] Walt Kester.Data Conversion Handbook[M].Oxford：Newnes，2005.

[4] Silicon Laboratories Inc.C8051F35XDelta－Sigma ADC User'S Guide，2005.

[5] Intersil Corporation.Instrumentation Amplifier Application Note，2009.

[6] 经纬，魏丽丽，王力.PCB地平面的分割[J].印制电路信息，2007（3）：39－43.

[7] Li XiSheng，Kang RuiQing，Shu XiongYing.Tilt－Induced－Error Compensation for 2－Axis Magnetic Compass with 2－Axis Accelerometer[C]∥World Congress on Computer Science and Information Engineering，Los Angeles／Anaheim，2009：122－125.

[8] JianCheng Fang，HongWei Sun，Juanjuan Cao.A Novel Calibration Method of Magnetic Compass Based on Ellipsoid Fitting[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2011，60（6）：2053－2061.