基于hx和hy的磁阻傳感器芯片電子底盤設(shè)計

電子盤盤器的應(yīng)用電子磁盤是一種重要的導(dǎo)航工具，可以實時提供活動對象的方向和狀態(tài)。這主要取決于磁強效應(yīng)，并根據(jù)地球磁場的大小來確定方向。隨著微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展,尤其是單片機技術(shù)的廣泛應(yīng)用,結(jié)合利用先進(jìn)加工工藝生產(chǎn)的磁阻傳感器,為羅盤的數(shù)字化提供了有利的幫助。由磁阻傳感器芯片與微處理器構(gòu)成的電子羅盤系統(tǒng),在自動控制領(lǐng)域具有強大的可移植性,可應(yīng)用于衛(wèi)星天線定位,車載、航海、飛行導(dǎo)航,鉆井設(shè)備,姿態(tài)控制等領(lǐng)域。本文涉及的電子羅盤是基于Honeywell公司的各向異性磁阻傳感器芯片HMC1052HMC1051Z和MEMSIC公司的兩軸加速度計MXD2020ML研制的,采用ADuC842集成芯片采集處理傳感器信號使該系統(tǒng)羅差補償比較容易實現(xiàn),經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理和算法補償后的羅盤系統(tǒng)精度基本可以達(dá)到±1°,該羅盤結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕,實驗證明,該系統(tǒng)可用于普通導(dǎo)航領(lǐng)域。1磁阻監(jiān)測數(shù)據(jù)處理安裝后羅盤平面三個方向的磁場強度為Hx、Hy、Hz,而地球表面三個方向的磁場強度為HX、HY、HZ,考慮羅盤坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系的關(guān)系,做出下頁圖1示意圖,N—S表示地球南北極軸線,N′—S′表示磁南北極軸線,磁南北極與地球南北極兩軸線在地球平面中,其夾角β稱為磁偏角。φ表示俯仰角,θ表示翻滾角,angle為前進(jìn)方向和當(dāng)?shù)卮抛游缇€的夾角。電子羅盤就是根據(jù)測得的Hx,Hy,Hz,φ,θ,求得angle,進(jìn)一步得到航向角α。根據(jù)坐標(biāo)投影關(guān)系,當(dāng)測得Hx,Hy,Hz,φ,θ時,折算到地球平面磁場強度HX、HY的計算公式為:HX=Hxcosφ+Hysinθsinφ-Hzcosθsinφ(1)HY=Hycosθ+Hzsinθ(2)一旦求出HX和HY分量,就可計算羅盤前進(jìn)方向與當(dāng)?shù)卮抛游缇€的夾角angle:angle=arctan(HY/HX)(3)考慮當(dāng)?shù)卮牌铅聲r,航向角為:α=angle+β(4)每個地區(qū)的磁偏角β是一個固定值,以列表形式存入Flash中,根據(jù)GPS的信息選擇,按式(4)補償即可。為了讓angle在0°～360°之間顯示,根據(jù)式(1)～式(3)可知:當(dāng)HX>0,HY=0時,測得的角angle=0°;當(dāng)HX=0,HY<0時,測得的角angle=90°;當(dāng)HX<0,HY=0時,測得的角angle=180°;當(dāng)HX=0,HY>0時,測得的角angle=270°;當(dāng)HX>0,HY<0時,測得的角angle=-arctan(HY/HX);當(dāng)HX<0,HY<0時,測得的角angle=180°-arctan(HY/HX);當(dāng)HX>0,HY>0時,測得的角angle=360°-arctan(HY/HX)。羅盤系統(tǒng)根據(jù)地球磁場大小確定方向,而地磁場強度較小,傳感器輸出信號的信噪比就比較小,并且磁阻傳感器易受環(huán)境磁場的影響,因此在測量過程中遇到的主要問題就是測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定和測量精度不高。硬件設(shè)計上,在信號進(jìn)入采樣之前設(shè)計了一個隔離緩沖器;Honeywell公司的磁阻傳感器有一項專利技術(shù)——置位/復(fù)位帶,可以利用這個“帶”對磁阻重新校準(zhǔn)磁距,從而消除外界大磁場的干擾。在軟件設(shè)計上,對A/D采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的算法預(yù)處理;對羅盤精度影響最大的誤差——羅差,構(gòu)造數(shù)學(xué)模型并做相應(yīng)的算法補償,以保證羅盤獲得較高的精度。2傳感器的布置本文研制的電子羅盤結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。采用Honeywell公司的各向異性磁阻傳感器芯片HMC1052、HMC1051Z分別感測安裝平面磁場的三個分量Hx,Hy,Hz。選用MEMSIC公司的兩軸加速度計MXD2020ML檢測俯仰角(pitch)φ和翻滾角(roll)θ。從傳感器以及兩軸加速度計出來的信號經(jīng)過信號調(diào)理之后,輸入到ADuC842模數(shù)轉(zhuǎn)換器,根據(jù)需要設(shè)定合適的采樣頻率,采集數(shù)據(jù)并作相應(yīng)的處理。航向姿態(tài)數(shù)據(jù)通過IRF7509前后脈沖RS232輸出或通過D/A輸出,也可顯示在LCD上。電子羅盤的工作環(huán)境相對比較惡劣。當(dāng)外部磁場強度達(dá)到20Gs以上時,傳感器的輸出特性將會發(fā)生較大改變,即已不能正常工作,本設(shè)計采用兩個場效應(yīng)管(IRF7509集成置位/復(fù)位芯片),由微控制器觸發(fā),產(chǎn)生一個約2A的大電流脈沖對兩個磁阻傳感器進(jìn)行置位/復(fù)位。置位/復(fù)位電路及脈沖信號如圖3所示。3羅差補償算法軟件采用模塊化設(shè)計,總體結(jié)構(gòu)分為系統(tǒng)主程序和各功能模塊子程序兩部分。其中主程序負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)對子程序的及時響應(yīng)和調(diào)用,有效的管理系統(tǒng)軟、硬件;子程序完成各指定功能,并供主程序調(diào)用,包括初始化、數(shù)據(jù)采集及濾波、計算及誤差補償校正、航向角顯示、串口收發(fā)和D/A輸出等。在具體算法設(shè)計過程中,需要重點考慮系統(tǒng)的實時性、同步性,以及誤差補償?shù)葐栴}。在運算處理之前采用中值濾波算法對信號進(jìn)行預(yù)處理,以消除部分干擾信號;羅差是利用地球磁場測量航向時電子羅盤系統(tǒng)所特有的一種誤差,也是對精度影響最大的一種誤差,可用以下方程進(jìn)行修正:Δφ=A+Bsinφ+Ccosφ+Dsin(2φ)+Ecos(2φ)(5)φc=φ-Δφ(6)其中:φc為羅差補償后的實際磁航向,φ為羅差補償前電子羅盤系統(tǒng)的輸出航向值,Δφ為總羅差,A、B、C、D、E為羅差補償系數(shù)。在0°～360°之間每隔15°共24個實驗點進(jìn)行誤差測試,計算出相應(yīng)的羅差補償系數(shù),添加到程序中,即可完成對航向角的羅差修正。羅盤系統(tǒng)在羅差補償前后的航向角數(shù)據(jù)和誤差如表1所示。通過表中實驗數(shù)據(jù)可看出,通過軟件補償?shù)姆椒▉硖岣呦到y(tǒng)精度非常方便而且效果顯著。該羅盤系統(tǒng)精度已經(jīng)從補償前的±35.7