基于KMZ52的电子指南针设计

[09-12 17:55:00]   来源:http://www.88dzw.com  单片机学习   阅读:8109

文章摘要:基于KMZ52的电子指南针设计 电子产品世界 / 天津大学 电气与自动化工程学院 刘素 刘鲁源 韩尧松 引 言 指南针是重要的导航工具,在很多领域都有广泛的应用。电子指南针将替代罗盘指南针,因为它全部采用固态元件,而且可以方便的和其他电子系统连接。电子指南针系统中磁场传感器的磁阻(MR)技术是最佳的解决方法,它比磁通量闸门传感器和霍尔元件都更先进。KMZ52芯片就运用磁阻技术,而且还具有体积小、精度高、稳定性好、价格低等特点,是理想的导航元件。但是地球磁场和电子指南针本身的特点,在测量磁场时会有些偏差,所以要进行传感器偏差补偿、干涉磁场校正、正北校正、倾斜校正等,才能得到正确的结果。文

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基于KMZ52的电子指南针设计 电子产品世界 / 天津大学 电气与自动化工程学院 刘素 刘鲁源 韩尧松

引 言

指南针是重要的导航工具,在很多领域都有广泛的应用。电子指南针将替代罗盘指南针,因为它全部采用固态元件,而且可以方便的和其他电子系统连接。电子指南针系统中磁场传感器的磁阻(MR)技术是最佳的解决方法,它比磁通量闸门传感器和霍尔元件都更先进。KMZ52芯片就运用磁阻技术,而且还具有体积小、精度高、稳定性好、价格低等特点,是理想的导航元件。但是地球磁场和电子指南针本身的特点,在测量磁场时会有些偏差,所以要进行传感器偏差补偿、干涉磁场校正、正北校正、倾斜校正等,才能得到正确的结果。文中利用KMZ52芯片设计实现了电子指南针,给出了电子指南针的电路原理图,利用了闭环负反馈原理进行偏差补偿。

指南针

图1是地球某一点的地球磁场向量He的三维图(其中,x和y轴与地球表面平行,z轴垂直指向下)。指南针的基本任务就是测量磁场北极(图中的Heh,即地球磁场的水平分量)与前进方向的夹角(方位角α),由图1可知:

图1中,α是从磁场的北极顺时针计算的(如,东是90o,西是270o);磁倾角δ是地球磁场向量与水平面的夹角(赤道处为零,极点处达到±90 o);磁偏角λ是地理北极与磁场北极间的夹角(它与地球的实际位置有关)。

电子指南针电路

经改进的电子指南针的结构原理图如图2所示,主要分为四个部分,即磁场传感器(模块1)、信号调节单元(模块2、3、4、5、6、7、8)、方向定位单元(模块9)和显示界面(模块10)。

模块1是采用磁阻技术的二维磁场传感器KMZ52,用于测量地球磁场两个水平分量Hex和Hey的大小,它集成了两个补偿线圈和两个翻转线圈;模块2的两路输入连接模块1的两路输出,用于放大传感器输出的微弱信号;模块5是用4011B实现的方波产生电路,信号输出同时与模块3和模块6连接,使两个模块同步工作;接入模块3的方波信号用来控制MAX392模拟开关,使模块3的放大倍数在1和-1之间变化,实现了图3(c)所示的信号翻转;接入模块6的方波信号通过达林顿管,产生快速电流脉冲,来激励模块1中的两个翻转线圈;模块4利用闭环负反馈技术实现补偿电路,连接KMZ52的两个补偿线圈;模块7是参考电压(5V)产生电路;输出信号Vx和Vy通过模块8的A/D转换器转换成数字信号;再通过模块9的ARM芯片,计算方位角α;最后通过模块10的显示界面,显示方位信息。

KMZ52实现电子指南针的主要偏差补偿及校正

传感器偏移补偿

在磁场强度为15A/m(地球磁场最小值),传感器灵敏度为典型值80mV/(KA/m)(Vcc=5V)的条件下,KMZ52的输出幅度约为1.2mV;而Vcc=5V 时,由于KMZ52本身偏差及温度漂移的影响,最大偏差电压可达到±7.5mV,最大温度漂移电压为1.5mV,都比传感器输出电压1.2mV高很多,所以指南针系统的内部偏移补偿是很重要的。

应用“跳转技术”可以消除偏移,即在KMZ52的置位/复位线圈中通上正负脉冲电流,传感器的特性和输出信号就会周期地反转,反转传感器信号的幅值包含了需要的磁场信号,而传感器偏移是一个纯直流信号,通过放大级中的高通滤波器,可以除去这一直流信号,同时消除偏差和温漂造成的偏移。图3是跳转技术的波形图,a是得到的输出信号,b是滤波去除偏移后的信号,c是翻转后得到的原来信号。在图2设计的电路图中,运用MAX392模拟开关来实现正负脉冲电路,它的四路开关可以同时控制两路通道,使两路通道具有更好的一致性;运用达林顿管,可以使正负电流脉冲时间非常短(几μm),幅度达到1A,满足了对电流脉冲的要求。

在某一点对x和y通道分别进行了测试,输出电压范围分别是:x(0.89-8.78V)、y(0.89-8.79V),具有良好的一致性。经过跳转技术处理后,输出电压应以参考电压5V为中心(如图3),实际的输出值,x和y通道分别以4.835和4.84为中心,与要求的5V相比,相对误差小于4%,满足指南针的精度要求。

干涉磁场校正

实际应用中,指南针附近的地球磁场可能会受到其他磁场或附近的含铁金属干扰,为了获得可靠的方位角,有效的补偿上述影响是很必要的。干涉磁场对指南针的影响可以由测试图(指南针旋转360o时,SCU输出信号Vy-Vx图)进行估计。没有干涉磁场时,图形是一个中心在参考原点,半径为地球磁场强度He的圆。基本的两种干涉磁场是“硬铁效应”和“软铁效应”,“硬铁效应”是由与指南针固定位置的磁体产生的,在测试图中表现为圆心移动到(Hix,Hiy),Hix和Hiy是干涉磁场的分量;含铁金属对地球磁场的影响表现为“软铁效应”,在测试图中表现为圆的变形。实际中,“硬铁效应”一般比“软铁效应”强的多。

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