电子罗盘调研

1、 电子罗盘调研2014-02-211 电子罗盘功能介绍 1.1 名字解释电子罗盘，也叫数字指南针，是利用地磁场来定北极的一种方法。古代称为罗经，现代利用先进加工工艺生产的磁阻传感器为罗盘的数字化提供了有力的帮助。现在一般有用磁阻传感器和磁通门加工而成的电子罗盘。电子罗盘具有以下特点: l 三轴磁阻效应传感器测量平面地磁场，双轴倾角补偿。 l 高速高精度A/D转换。l 内置温度补偿，最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。 l 内置微处理器计算传感器与磁北夹角。 l 具有简单有效的用户标校指令。 l 具有指向零点修正功能。 1.2 电子罗盘作用1.2.1 GPS导航定位的缺陷1) 虽然GPS在导航

2、、定位、测速、定向方面有着广泛的应用，但由于其信号常被地形、地物遮挡，导致精度大大降低, 其信号可用性仅为60% ，甚至不能使用。产生不精确定位的原因包括：多路径效应：建筑物对GPS信号的反射 阴影：城市中高楼与高楼之间形成的“峡谷”内、浓密的植被下，信号接收效果较差 在隧道、地下停车厂造成的信号失锁 在接收信号差的地区延长了初始化时间 一些动态影响，如汽车大幅度增速与减速等。以上原因都会导致GPS无法提供任何位置或者定位精度陡然下降。2) 在静止的情况下，GPS也无法给出航向信息。高精度电子罗盘可以对GPS信号进行有效补偿，保证导航定向信息100%有效，即使是在GPS信号失锁后 也能正常工作

3、，做到“丢星不丢向”。3) 安全及可靠性风险。美国出于自身利益上的考虑，从不承诺不实施SA干扰和区域关闭， 这更给GPS用户带来很大疑惑和担心。因此，将GPS与电子罗盘相结合，二者相互补充，组合使用是导航领域的理想选择。例如：美国虽然其完全独立掌握GPS 的卫星资源，但为了使系统更加可靠，使导航信息100%有效，其M1坦克及其它一些重要装备上仍加装了C100电子罗盘。1.2.2 电子罗盘主要用途电子罗盘主要用于辅助GPS导航及在静止状态获取航向，具体包括加速度和方向的定位、倾角测量等功能。1) 加速度和方向的定位。电子罗盘应用三轴磁阻传感器测量平面地磁场，双轴倾角补偿，可以和GPS配合可以做盲

4、区导航，和GOOGLE地图配合可以做导航，还可以和加速度配合做三维定位，还可以根据电子罗盘的读数，地图自动旋转到用户方便读取的方向，让显示的地图方向始终按照你的行进方向自动变换，也就是可以把它当做专业的指南针使用，说的简单点也就是加速度和方向的定位。2) 倾角测量。三维的电子罗盘，不仅具有指南针功能，还可以实现倾角的测量，和陀螺仪类似，站在一个斜坡上，可以计算出这个斜坡的角度，不过最重要的就是都可以在开飞机的时候使用，不干扰飞机飞行。1.2.3 电子罗盘的缺陷电子罗盘的原理是测量地球磁场，但若使用的环境中有除了地球以外的磁场且这些磁场无法有效屏蔽时，那么电子罗盘的使用就有很大的问题，这时只能考

5、虑使用陀螺来测定航向了。1.3 电子罗盘分类1）电子罗盘按照有无倾角补偿可以分为：l 平面电子罗盘平面电子罗盘要求用户在使用时必须保持罗盘的水平，否则当罗盘发生倾斜时，也会给出航向的变化而实际上航向并没有变化。虽然平面电子罗盘对使用时要求很高，但如果能保证罗盘所附载体始终水平的话，平面罗盘是一种性价比很好的选择。l 三维电子罗盘三维电子罗盘集成三轴磁通门传感器，在平面电子罗盘基础上加入了倾角传感器，如果罗盘发生倾斜时可以对罗盘进行倾斜补偿，这样即使罗盘发生倾斜，航向数据依然准确无误。通过中央处理器实时解算航向，以及使用三轴加速度计对大范围内的倾斜角进行航向补偿，保证罗盘在倾斜角度高达±

6、;90°也能提供高精度的航向数据。2）电子罗盘按照传感器的不同分为：l 磁阻效应传感器根据磁性材料的磁阻效应制成。磁阻传感器的灵敏度和线性度已经能满足磁罗盘的要求，各方面的性能明显由于霍尔器件，使它在某些应用场合能够与磁通门竞争。但是其固有的缺点翻转效应缺点使得磁阻效应传感器在集成入微系统时的强的脉冲电流将威胁系统中的微处理器等其它电路的可靠性。 l 霍尔效应传感器根据半导体材料的霍尔效应制成。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。缺点是有灵敏 度低，噪声大，温度性能差等，一般都是用于要求不高的场合。l 磁通门传感器根据磁饱和法原理制成，利用被

7、测磁场中铁磁材料磁芯在交变磁场的饱和励磁下其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场。从三者的比较来看,目前基于磁电阻传感器的电子罗盘具有体积小、响应速度快等优点，优势明显，是电子罗盘的发展方向。1.4 电子罗盘原理三维电子罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和MCU构成。三维磁阻传感器用来测量地球磁场，倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿；MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输出和软铁、硬铁补偿。三维磁阻传感器采用三个互相垂直的磁阻传感器，每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。向前的方向称为x方向的传感器检测地磁场在x方向的矢量值；向左或Y方向的传感器检测地磁场在Y方向

8、的矢量值；向下或Z方向的传感器检测地磁场在Z方向的矢量值。每个方向的传感器的灵敏度都已根据在该方向上地磁场的分矢量调整到最佳点，并具有非常低的横轴灵敏度。传感器产生的模拟输出信号进行放大后送入MCU进行处理。 1）当仪器与地表面平行时，仅用地磁场在X和Y的两个分矢量值便可确定方位值： 2）当仪器发生倾斜时，方位值的准确性将要受到很大的影响，该误差的大小取决于仪器所处的位置和倾斜角的大小。为减少该误差的影响，采用双轴倾角传感器来测量俯仰和侧倾角，这个俯仰角被定义为由前向后方向的角度变化；而侧倾角则为由左到右方向的角度变化。电子罗盘将俯仰和侧倾角的数据经过转换计算，将磁力仪在三个轴向上的矢量在原来

9、的位置“拉”回到水平的位置。 标准的转换计算式如下： Xr=Xcos+Ysinsin-Zcossin Yr=Xcos+Zsin 其中，Xr和Yr为要转换到水平位置的值，X、Y、Z为三个方向的矢量值，为俯仰角，为侧倾角。 2 电子罗盘系统方案2.1 硬件方案要实现电子罗盘功能，需要一个检测磁场的三轴磁力传感器和一个三轴加速度传感器。下面以意法半导体LSM303DLH为例实现成本低、性能高的电子罗盘。三轴的磁力计以测量磁场数据，三轴加速计以测量罗盘倾角，通过信号条理和数据采集部分将三维空间中的重力分布和磁场数据传送给处理器。处理器通过磁场数据计算出方位角，通过重力数据进行倾斜补偿。这样处理后输出的

10、方位角不受电子罗盘空间姿态的影响。电子罗盘硬件方案如下图所示。图 电子罗盘硬件方案示意图LSM303DLH电子罗盘将加速计、磁力计、A/D转化器及信号条理电路集成在一起，通过I2C总线（或串口）与嵌入式主处理器进行通信，为系统提供准确的航向角等方向相关信息，供应用软件使用。2.2 软件方案以意法半导体LSM303DLH电子罗盘为例，基于Android的电子罗盘功能软件结构如下图所示：图 Android系统的电子罗盘软件结构图l 核心驱动层：Linux Kernel Driver (LSM303DLH_ACC + LSM303DLH_MAG)，实现了从IIC或串口读取经过数模转换和精度补偿计算的

11、航向角，完成电子罗盘硬件设备访问。l 硬件无关层：HAL Library(Sensors_lsm303dlh + Liblsm303DLH) for sensors.default.so，实现了对电子罗盘设备的驱动封装访问。l Framework层：实现Android系统中框架层的传感器管理模块对电子罗盘设备的管理。l 应用层：经过library 的计算，上层的应用可以很轻松的运用由Android定义由Library提供的航偏角信息进行应用程序的编写。基于电子罗盘的应用有Android的Skymap、IBMeye等。3 电子罗盘硬件厂家举例3.1 PNI公司的电子罗盘产品美国PNI公司一直屹立

12、在电子罗盘（电子指南针）传感器技术设计、开发和应用等不断创新的最前端。PNI的传感器产品包括磁传感器、双轴电子罗盘（双轴电子指南针）、三轴电子罗盘（三轴电子指南针）、磁传感器驱动IC和传感器数据融合中心等。PNI公司电子罗盘产品类别如下图：PNI公司电子罗盘主要产品的参数规格图3.1.1 SeaTRAX 3D电子罗盘产品SeaTRAX模块是一款高性能、适用于海上地震拖揽系统的低价位三轴电子罗盘。我们知道，通常磁航向测量传感器由于其价格昂贵，很难大量应用，但是PNI的SeaTRAX系列磁感应罗盘模块，基于PNI多年的航向测量传感器设计与制造经验，在的拖揽模块规格的情况下，提供了一个成本最划算的解

13、决方案。罗盘SeaTRAX的主要参数：l 航向精度：0.3°rmsl 航向分辨率：0.1°l 航向重复性：0.05°rmsl 倾角量程：±90俯仰/±180°横滚l 倾角精度：0.2°rmsl 倾角分辨率：0.01°l 倾角重复性：0.05°rmsl 通信接口：RS232l 电压：3.89VDCl 电流：17mA at 8Hz Sample Ratel 工作温度：-4085°Cl 尺寸：70x11.8x10.3mm (with z-axis shield)，70x11.8x9.8 mm(with

14、out z-axis shield)3.1.2 3D电子罗盘TargetPoint DMC美国PNI公司TargetPoint DMC模块提供无与伦比的准确性和可靠性，即使在恶劣的环境下，也能拥有完美的表现性能。TargetPoint三轴罗盘将PNI专利技术的磁传感器和三 轴MEMS加速度传感器结合在一起，提供了绝佳的成本效益和性能。TargetPoint电子罗盘模块成为远目标定位器、激光测距仪等需要高可靠性、高性 能等应用的理想选择。   TargetPoint DMC 电子罗盘与现存的数字磁罗盘拥有相同的性能，TargetPoint DMC三轴电子罗盘经过一系列测试，达

15、到甚至超过了工业标准，其中包括多种冲击测试，以确保产品随时都能达到所需要的规格要求。TargetPoint DMC系列模块产品特性及技术规格如下：l 经过多种冲击测试l 高精度高分辨率l 三轴测量l 硬磁和软磁校准l 航向精度：0.5°rmsl 横滚角俯仰角精度：0.2°rmsl 角分辨率：0.01°l 磁场残差:0.06 Trmsl 磁场校准范围：±150Tl 尺寸(L×W×H)：33x31x13.5mml 重量：20gl 安装选项：水平或垂直安装l 数据接口：RS 232l 编码：ASCII码l 工作电压：4.755.25VDCl

16、 电流10Hz：<45mAl 工作温度：-40°C+70°Cl 存储温度：-57°C+85°C3.2 霍尼韦尔公司的电子罗盘产品3.2.1 3轴电子罗盘HMR3400霍尼韦尔HMR3400是专门为航海和精确指南应用而设计的一种数字罗盘解决方案。霍尼韦尔的磁阻传感器技术连同一个MEMS加速度计，可以提供一个微型、可靠的倾斜补偿电子罗盘。HMR3400的设计可以使其很容易通过一个常规的5V供电电源和一个UART串行数据接口与主系统集成。HMR3400 3D电子罗盘规格如下：l 尺寸窄小、体积小，适用于紧密安装条件和最小布局的限制，封装在一个0.6

17、15;1.5英寸的印刷电路板(PCB)上l 高精度罗盘，±1°水平航向精度l 倾斜补偿l 低成本，大批量、商业OEM(原始设备制造商)设计，大批量OEM装配l 可以采用带式和盘式包装l -40°至+85°C运行温度范围l 8Hz持续数据刷新速率l 硬铁补偿功能l 0.5°重复性精度l 使用一个MEMS加速度计，可以达到±60°的俯仰和侧滚角l 适用于消费者和工业环境l 快速航向计算，应用于指南l 用户驱动的零漏磁场的校准。l 保持一致性的磁阻传感器3.2.2 3轴电子罗盘HMC5883 （淘宝有卖，最便宜）HMC5883三轴

18、磁阻传感器产品规格如下：l I2C数字量输出接口，设计使用非常方便。l 尺寸小:  3x3x0.9mm  LCC封装，适合大规模量产使用。l 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。l 支持自动校准程序，简化使用步骤，终端产品使用非常方便。l 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。l 功耗低：供电电压1.8V, 功耗睡眠模式-2.5微安  测量模式-0.6mA3.3 ST公司电子罗盘LSM303C（业界尺寸最小）意法半导体（STMicroelectronics）

19、上市了外形尺寸仅为2.0mm×2.0mm×1.0mm的12引脚LGA封装电子罗盘IC“LSM303C”，成功地把利用MEMS技术制造的3轴加速度传感器和3轴磁传感器集成在了一个封装内，该产品的尺寸“在同类产品中为业界最小”。可用于智能手机、生物体信息监视器用手环、智能手表及游戏机等。电子罗盘IC输出的是16bit数字值。磁传感器的满刻度为±16高斯（标准值）。加速度传感器的满刻度有±2G、±4G、±8G三档可供用户选择（均 为标准值，G为重力加速度）。磁传感器的灵敏度为0.58×10-3高斯/LSB（标准值）。加速度传感器的

20、灵敏度在满刻度为±2G时为0.061mG /LSB、在满刻度为±4G时为0.122mG/LSB、在满刻度为±8G时为0.244mG/LSB，以上均为标准值。磁传感器0电平的偏置误差为±1 高斯（标准值），加速度传感器0电平的偏置误差为±40mG。3.4 BOSCH博世公司的BMM150电子罗盘BMM150是一款低功耗，低噪音的3轴数字地磁传感器可用于罗盘应用。12引脚晶圆级芯片规模封装（WLCSP），占位面积为1.56 x 1.56平方毫米和0.60毫米的高度，它的移动设备开发商提供最高的设计灵活性。虚拟现实或游戏，如手机，平板电脑或便携式媒体

21、播放器等移动设备上的应用程序，如需要9轴惯性传感，包括磁航向信息。3.5 深圳瑞芬科技有限公司的DCM302B三维电子罗盘(国产)DCM302B是一款运用二维平面校准算法的高精度三维电子罗盘，校准无需三维姿态倾斜，只需平面原地旋转一圈即完成校准过程。采用美国专利技术的硬磁和软磁校准算法,使罗盘在有磁场干扰的环境中也能通过三维校准方法达得最佳测量效果，DCM302B集成三轴磁通门传感器，通过中央处理器实时解算航向，以及使用三轴加速度计对大范围内的倾斜角进行航向补偿， 保证罗盘在倾斜角度高达±85°也能提供高精度的航向数据。电子罗盘集成了高精度MCU控制，输出方式多元化，其中标

22、准接口就包括RS232/RS485/TTL等接口，另可接受其它通讯接口的定制。DCM302B体积小、功耗低、可应用在天线稳固、车辆、系统集成等众多领域，高抗震性、高可靠性也使得罗盘可在极其恶劣环境下正常工作，更适合于当今小型化军工高精度测量集成控制系统。性能参数主要特性如下：l 方位角精度: 0.5°0.8° l 倾角测量范围:±85°l 倾角分辨率: 0.1° l 倾角精度: 0.1°l 宽温范围: -40+85 l 尺寸: L60×W59×H29mml 带硬磁、软磁及倾角补偿 l 标准RS232/RS485/T

23、TL输出接口l DC5V供电 l IP67防水等级3.6 浙江瑞安市瑞磁电子有限公司RC的电子罗盘RC电子罗盘（型号A2）是一种高精度数字式电子罗盘。它主要由全固 态三轴磁强计、MEMS二轴加速度计、温度传感器、低通滤波器和16位MSP430系列微功耗单片机等硬件构成，结合独有的软件算法，可以为用户提供三维 姿态信息、三轴磁场强度和环境温度，并可不依赖PC而由罗盘自主对软硬磁干扰进行补偿。它具有精度高、频响快、重复性好、功耗低、体积小等优点，可以广泛 应用于航空、航天、航海、水中兵器、石油钻井、汽车等需要定向和导航的领域。l 磁场测量范围为±360 uT，分辨力20nTl 重力场测量

24、范围为±1.5g，噪声密度小于120gHzl 航向角： 测量范围：0°360， 精度：倾斜角1°,±0.3°；倾斜角30°,±0.5°，自动校准精度：±0.8°，分辨力：0.1°，重复性：±0.1°l 俯仰角：测量范围：±60°，精度：倾斜角30°,±0.2°；倾斜角30°,±0.5°，分辨力：0.1°，重复性：±0.1°l 横滚角：测量范围：±60°，精度：倾斜角30°,±0.2°；倾斜角30°,±0.5°，分辨力：0.1°，重复性：±0.1°l 电气接口：TTL、RS232（default）、RS422l