一种电子罗盘的电路设计

姚丽青，杨文杰

( 山西大学 物理电子工程学院，山西 太原030013)

基于磁阻传感器和加速度传感器的电子罗盘具有体积小、重量轻、精度高、可靠性强、响应速度快等优点［1］，被广泛应用于航空、航海、交通、电子通讯等领域，也应用于智能手机等生活类电子产品中．具体可以配合车载GPS 导航(GPS 进入隧道或速度低于20km/h 就会失效)、电信基站天线角度的测量、大型机械平台的水平测量、手机、游戏杆等产品中．本设计中的电子罗盘采用Honeywell 公司的两轴磁阻传感器HMC1052L(x，y)，单轴磁阻传感器HMC1021Z 以及MEMS 重力加速度传感器MXD2020E，采用MSP430F247 单片机采集处理传感器信号，经过数据预处理和算法补偿后，罗盘系统精度基本上可以达到± 1°．该罗盘结构简单、体积小、重量轻，已经被用到电信基站天线角度监测，实验证明，该系统有很好的推广和利用价值．本文中的电子罗盘固定在载体上，通过自身的加速度传感器和磁阻传感器分别测量出重力加速度在载体坐标系中的两个分量与地磁场的磁感应强度在载体坐标系中的分量，通过CPU 的处理确定出载体的具体方位，载体与水平地面间的夹角．

1 电子罗盘的基本原理

1．1 坐标系统

地球的磁场强度为0．5～0．6 gauss，无论何地，磁场的水平分量永远指向磁北，这是所有磁罗盘的制作基础［2］．传统的导航定位，通过3 个角度，即方位角α、俯仰角θ 和横滚角φ 定义了姿态参数，实际上就是载体坐标系和地理坐标系之间的方位关系．现在取两个坐标系OXYZ与O 'X'Y'Z'，OXYZ为地理坐标系，OX在当地水平面内指向地理北极，OY在水平面内与OX垂直在OX右方，OZ与OX、OY构成右螺旋关系，即沿重力加速度方向．方位角α 定义为沿Z轴方向看去OXY绕Z轴顺时针旋转的角度为正，俯仰角θ 定义为沿Y轴方向看去OZX绕Y轴顺时针旋转的角度为正，横滚角φ 定义为沿X轴方向看去OYZ绕X轴顺时针旋转的角度为正．O'X'Y'Z'固定在载体上，以载体质心为原点，平面直角坐标系O'X'Y'固定在载体的对称平面上，

O'Z'沿由O'X'至O'Y'的右螺旋前进方向．坐标系OXYZ先绕Y轴转过θ，再绕X轴旋转φ 与坐标系O'X'Y'Z'重合．要了解载体在空间的姿态，就必须测出方位角α、俯仰角θ 和横滚角φ．

1．2 各各角度的测量原理

加速度矢量在坐标系OXYZ中表示为［0 0g］T，在坐标系O'X'Y'Z'中为［g'x g'y g'z］T，根据坐标系O'X'Y'Z'、OXYZ之间的变换关系，它们的关系为:

即:

磁感应强度矢量在坐标系OXYZ中表示为，在坐标系O'X'Y'Z'中为中三个量由磁阻传感器测出，根据坐标系OXYZ、O'X'Y'Z'之间的变换关系，它们之间的关系为:

方位角α=arctanHx/Hy，至此载体在空间的方位由它的方位角α、俯仰角θ 和横滚角φ 完全确定．

2 电子罗盘系统

电子罗盘的硬件原理框图如图1 所示．本系统选用MXD2020两轴重力加速度传感器Honeywell 公司的两轴磁阻传感器HMC1052L(x，y)，单轴磁阻传感器HMC1021Z，分别获得载体平面的重力加速度分量和三维空间的地磁场分量，采用MSP430F247 单片机采集处理传感器信号，经过数据预处理和算法补偿后，测得载体的姿态参数并通过Rs485 传入上位机．

2．1 微处理器

微处理器的原理图见图2，该系统采用TI 公司的16 位RISC 结构超低功耗单片机MSP430F247 作微处理器，本处理器拥有超低功耗，片上资源丰富，拥有60 KB Flash ROM，4kB RAM，32 路通用I/O 口，8 路12－Bit A/D 转换器，10 个可捕获比较的定时计数器，两个异步通用串行口，JTAG 调试口，等外围电路，便于开发和二次开发［2－3］．

2．2 加速度传感器模块设计

图1 电子罗盘系统框图Fig．1 Electronic compass system block diagram

由原理分析可知，加速度传感器只需要X，Y两轴便可，本设计选用MXD2020．MXD2020 所测重力加速度与Dout 输出的脉冲占空比成正比，且加速度为0 时占空比为0．5，量程因子为0．2/g［4］．用MSP430F247 的TA0 测量X轴的占空比，TA1 测量Y轴的占空比，gx=(T1x/T2x－0．5)g/0．2=gsinθ，gy=(T1y/T2y－0．5)g/0．2=gsinφ．由此可知:

每次测量开始，设为上升沿中断，时钟源1 μs，第一次中断打开计时器，并改为下降沿中断，第二次中断再改为上升沿中断，同时捕获脉冲“ON”计时值T1，第三次中断中捕获T2 计时值，并关闭中断．T1，T2 测得，代入式(6)可求得角θ，φ，与水平面真夹角．

2．3 磁阻传感器设计

用MSP430F247 的A0，A1，A2 对Hx'，Hy'，Hz'轴的磁场分量做A/D 转换，Avcc 接3．3 v 并选为Verf A/D 参考电压，精密三运放AD623 作为磁阻传感器信号放大，为区分磁场极性用一片AD623 做一精密二分压电路，将3．3v 分为1．65v 作为磁阻传感器信号放大器AD623 的参考 电 压 Vref． HMC1052，HMC1051 的敏感电压(sensitivity)为1．2(max)mV/V/gauss 桥路偏置电压bridge offset 为1．25 mV/V，名义电压设为0．135 mV/V 则HMC1052 ，1051 的最大输出电压为1．335×5×0．625+(1．25+0．135)×5=10．425 mV，取整为10 mV，增益Gain=1．65/0．01=165，Rg=637［5］，IRF7509 组成“H”桥路对磁阻阻传感器置位/复位电路，假设置位后测得值为Mset(x，y，z)，复位后测得值为Mres(x，y，z)，实际磁场值为H(x，y，z)则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］．

图2 微处理器原理图Fig．2 The principle diagram of the microprocessor

图3 加速度传感器原理图Fig．3 The principle diagram of the acceleration sensor

当(Hx＜0)时，航向角α=π－arcTan(Hx/Hy);当(H＞0，Hy＜0)时，航向角α=－arcTan(Hx/Hy);

当(Hx＞0，Hy＞0)时，航向角α=2π－arcTan(Hx/Hy);

当(Hx=0，Hy＜0)时，航向角α=π/2;当(Hx=0，Hy＞0)时，航向角α=3π/2．

图4 X、Y 轴磁场分量测量电路Fig．4 X，Y axis magnetic field component measurement circuit

图5 Z 轴磁场分量测量电路Fig．5 The Z axis magnetic field component measurement circuit

3 误差补偿

图6 为用MATLAB 求得的误差拟合函数，其中* 为航向角误差值，曲线为拟合函数曲线，由图可知除130°与180°误差在1 度左右外，其它角度误差拟合函数相当好，f(α)=a+bsinα+ccosα+dsin2α+ecos2α(因为误码差与实测航向角的函数关系具有周期性，所以可设该函数为富里叶级数前5 项，由MATLAB 可求得a，b，c，d，e 系数)

图6 航向角误差拟合函数图Fig．6 Course angle error of fitting function diagram

4 结语

基于Honeywell 公司生产的磁阻传感器芯片研制的电子罗盘系统抗干扰能力强、抗震性高、稳定性好;同时硬件价格低廉、成本低、功耗小．采用的基于最小二乘法位置罗差补偿法是罗盘误差补偿方法中的一种，该方法相比较神经网络误差补偿方法、椭圆拟合误差补偿方法来说，有较高的测量精度，只要计算出系统的误差补偿函数系数，罗盘系统即可实现误差补偿校正，操作简单、易于实现．实验证明该电子罗盘系统可应用在普通导航领域．

［1］ 刘敬彪，郑玉冰，章雪挺． 三轴磁罗盘的设计与误差校正［J］．自动化仪表，2008(9):10－12．

［2］ 袁信，俞济祥，陈哲．导航系统［M］．北京:航空工业出版社，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．