基于hx和hy的磁阻传感器芯片电子底盘设计

基于hx和hy的磁阻传感器芯片电子底盘设计

电子盘盘器的应用电子磁盘是一种重要的导航工具，可以实时提供活动对象的方向和状态。这主要取决于磁强效应，并根据地球磁场的大小来确定方向。随着微处理器技术的飞速发展,尤其是单片机技术的广泛应用,结合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利的帮助。由磁阻传感器芯片与微处理器构成的电子罗盘系统,在自动控制领域具有强大的可移植性,可应用于卫星天线定位,车载、航海、飞行导航,钻井设备,姿态控制等领域。本文涉及的电子罗盘是基于Honeywell公司的各向异性磁阻传感器芯片HMC1052HMC1051Z和MEMSIC公司的两轴加速度计MXD2020ML研制的,采用ADuC842集成芯片采集处理传感器信号使该系统罗差补偿比较容易实现,经过数据预处理和算法补偿后的罗盘系统精度基本可以达到±1°,该罗盘结构简单、体积小、重量轻,实验证明,该系统可用于普通导航领域。1磁阻监测数据处理安装后罗盘平面三个方向的磁场强度为Hx、Hy、Hz,而地球表面三个方向的磁场强度为HX、HY、HZ,考虑罗盘坐标系与地球坐标系的关系,做出下页图1示意图,N—S表示地球南北极轴线,N′—S′表示磁南北极轴线,磁南北极与地球南北极两轴线在地球平面中,其夹角β称为磁偏角。φ表示俯仰角,θ表示翻滚角,angle为前进方向和当地磁子午线的夹角。电子罗盘就是根据测得的Hx,Hy,Hz,φ,θ,求得angle,进一步得到航向角α。根据坐标投影关系,当测得Hx,Hy,Hz,φ,θ时,折算到地球平面磁场强度HX、HY的计算公式为:HX=Hxcosφ+Hysinθsinφ-Hzcosθsinφ(1)HY=Hycosθ+Hzsinθ(2)一旦求出HX和HY分量,就可计算罗盘前进方向与当地磁子午线的夹角angle:angle=arctan(HY/HX)(3)考虑当地磁偏角β时,航向角为:α=angle+β(4)每个地区的磁偏角β是一个固定值,以列表形式存入Flash中,根据GPS的信息选择,按式(4)补偿即可。为了让angle在0°～360°之间显示,根据式(1)～式(3)可知:当HX>0,HY=0时,测得的角angle=0°;当HX=0,HY<0时,测得的角angle=90°;当HX<0,HY=0时,测得的角angle=180°;当HX=0,HY>0时,测得的角angle=270°;当HX>0,HY<0时,测得的角angle=-arctan(HY/HX);当HX<0,HY<0时,测得的角angle=180°-arctan(HY/HX);当HX>0,HY>0时,测得的角angle=360°-arctan(HY/HX)。罗盘系统根据地球磁场大小确定方向,而地磁场强度较小,传感器输出信号的信噪比就比较小,并且磁阻传感器易受环境磁场的影响,因此在测量过程中遇到的主要问题就是测量数据不稳定和测量精度不高。硬件设计上,在信号进入采样之前设计了一个隔离缓冲器;Honeywell公司的磁阻传感器有一项专利技术——置位/复位带,可以利用这个“带”对磁阻重新校准磁距,从而消除外界大磁场的干扰。在软件设计上,对A/D采样的数据进行有效的算法预处理;对罗盘精度影响最大的误差——罗差,构造数学模型并做相应的算法补偿,以保证罗盘获得较高的精度。2传感器的布置本文研制的电子罗盘结构框图如图2所示。采用Honeywell公司的各向异性磁阻传感器芯片HMC1052、HMC1051Z分别感测安装平面磁场的三个分量Hx,Hy,Hz。选用MEMSIC公司的两轴加速度计MXD2020ML检测俯仰角(pitch)φ和翻滚角(roll)θ。从传感器以及两轴加速度计出来的信号经过信号调理之后,输入到ADuC842模数转换器,根据需要设定合适的采样频率,采集数据并作相应的处理。航向姿态数据通过IRF7509前后脉冲RS232输出或通过D/A输出,也可显示在LCD上。电子罗盘的工作环境相对比较恶劣。当外部磁场强度达到20Gs以上时,传感器的输出特性将会发生较大改变,即已不能正常工作,本设计采用两个场效应管(IRF7509集成置位/复位芯片),由微控制器触发,产生一个约2A的大电流脉冲对两个磁阻传感器进行置位/复位。置位/复位电路及脉冲信号如图3所示。3罗差补偿算法软件采用模块化设计,总体结构分为系统主程序和各功能模块子程序两部分。其中主程序负责整个系统对子程序的及时响应和调用,有效的管理系统软、硬件;子程序完成各指定功能,并供主程序调用,包括初始化、数据采集及滤波、计算及误差补偿校正、航向角显示、串口收发和D/A输出等。在具体算法设计过程中,需要重点考虑系统的实时性、同步性,以及误差补偿等问题。在运算处理之前采用中值滤波算法对信号进行预处理,以消除部分干扰信号;罗差是利用地球磁场测量航向时电子罗盘系统所特有的一种误差,也是对精度影响最大的一种误差,可用以下方程进行修正:Δφ=A+Bsinφ+Ccosφ+Dsin(2φ)+Ecos(2φ)(5)φc=φ-Δφ(6)其中:φc为罗差补偿后的实际磁航向,φ为罗差补偿前电子罗盘系统的输出航向值,Δφ为总罗差,A、B、C、D、E为罗差补偿系数。在0°～360°之间每隔15°共24个实验点进行误差测试,计算出相应的罗差补偿系数,添加到程序中,即可完成对航向角的罗差修正。罗盘系统在罗差补偿前后的航向角数据和误差如表1所示。通过表中实验数据可看出,通过软件补偿的方法来提高系统精度非常方便而且效果显著。该罗盘系统精度已经从补偿前的±35.7