HMC1022的电子罗盘.doc

微型计算机
控制技术设计报告

设计题目: 基于HMC1022数字电子罗盘的设计
专 业： 物理与机电工程学院
班 级： 电子0127
姓 名： xxx
学 号： 27号
授课教师： xxx

目录
引言 3
第一章 系统硬件设计 3
1. 1 地磁场导航原理 3
1. 2 系统构成 3
1. 3 磁阻传感器 4
1. 4 信号转换电路设计 6
1. 5 传感器复位置位电路设计 7
1. 6 微控制器的选择 7
第二章 系统软件设计 8
2. 1 复位置位程序设计 8
2. 2 干扰的校正 9
2. 3 程序主流程 10
结束语 11
参考文献 11

引言
现如今, 全球定位系统(GPS) 已经得到了广泛的应用,它借助四个卫星保持在一条基准线上就能跟踪汽车的位置, 但是在城市和隧道中卫星信号会在短时间内出现盲区, 这就需要精度很高的罗盘帮助GPS 型导航系统。通常可以采用陀螺仪来保持跟踪, 但是陀螺仪体积大, 成本高,故障率高, 维修困难。所以这种低成本的磁阻( MR) 型罗盘就是最佳选择。
第一章 系统硬件设计
1. 1 地磁场导航原理
地球是个巨大的磁体, 磁力线起始于南极附近的一个点,终止于北极附近的一个点。即: 2 个磁极。地磁场强度约为0. 5~0. 6 Gauss, 磁力线与地球表面平行的水平分量总指向地磁北极. 我们古代就是根据这个原理发明了司南。而本文所研究的电子罗盘应用了一种传感器, 其内部集成了一种电阻( 称为磁阻) , 磁阻在不同方向感受磁场时阻值会发生相应的变化。本系统正是应用这种阻值的变化来设计电路的。
1. 2 系统构成
本文研究的电子罗盘由磁阻传感器、信号转换电路、传感器复位置位电路、电源模块和微控制器等组成。磁阻传感器输出经过信号处理电路和微控制器处理后得到航向角, 数码管用来显示航向角; 复位电路用于恢复磁阻传感器在强磁干扰后的灵敏度; 电源模块分别为复位电路和信号处理电路供电。具体硬件框图如图1 所示。

图1 硬件框图
1. 3 磁阻传感器
在铁磁性材料中会发生磁阻的非均质现象(AMR) , 当沿着一条长而且薄的铁磁合金带的长度方向施加一个电流, 在垂直于电流的方向施加一个磁场, 合金带自身的阻值会发生变化, 这就是磁阻现象, 如图2 所示。HMC1022 是Honeywell 公司基于磁阻现象生产的高可靠性、高灵敏度的固态芯片。由长而薄的镀膜合金( 一种铁镍合金) 薄膜制成磁阻敏感元件, 采用标准的半导体工艺, 将薄膜附着在硅片上, 4 个磁阻组成惠斯通电桥, 如图3 所示。同时在硅平面上制作了2 个电流带, 一个用来置位或复位输出的极性, 另一个用来产生偏置磁场以补偿环境磁场。

HMC1022 的引脚图如图4 所示。HM1022 内部集成了2 个这样的惠斯通电桥A, B, 这2 个电桥相互垂直, 分别对应直角坐标系中的x 轴和y 轴输出, 如图5 所示。可以根据下列公式x, y 值计算出方向角。

图4 HM C1022 传感器
航向角H= 90- arctan(X / Y ) ! 180/ π( Y> 0) =270- arctan( X/ Y) ! 180/ π( Y< 0) =180( Y= 0, X< 0) =0( Y= 0, X> 0) ( 1)

图5 传感器输出在平面的映射
X 轴传感器定义为向左, Y 轴传感器定义为向前。
1. 4 信号转换电路设计
磁阻传感器为差动输出, 在供电桥压为5 V 时, 电桥输出响应为16 mV/ Gauss, 电桥偏置的范围是- 10~10 mV。当地磁场强度达最大值时( 0. 6Gauss) , 其电压输出的范围为
V out= ( ∀ 10 mV ) + ( ∀ 16 mV /Gauss ! 0. 6 Gauss)= ∀ 19. 6 mV
这里磁阻传感器输出为毫伏级电压信号, 在进行模数转换之前需要进行信号放大, 本系统采用的模数转换芯片AD7705 带有1、2、4、8、16、32、64、128 可编程增益, 可将传感器输出的毫伏级信号直接放大到接近AD 参考电压值,进行16 位高精度A D 转换。
A D7705 芯片是带有校准功能的电荷平衡式A/ D 转换器, 它的自校准和系统校准选项可以消除器件本身的增益误差和偏移误差, 此外它的16 位无丢失代码转换也同时满足了系统输出要求的1/ 3 600 精度。
1. 5 传感器复位置位电路设计
当磁阻传感器暴露于干扰磁场中时, 传感器元件会分成若干方向随机的磁区域, 从而导致灵敏度衰减。环境中的强磁场( 大于5 ! 10- 4 T 时) 会导致磁传感器输出信号变异, 为了消除这种影响并使输出信号达到最佳, 就需要应用磁开关技术( SR + / SR - ) 来抵消剩余磁场, 而HMC1002 是借助一个偏置磁场以补偿干扰磁场, 即通过集成在芯片内部的置位/ 复位合金带对薄膜施加3~ 4 A,20~ 50 ns 的脉冲电流就可以重新将磁区域对准, 统一到一个方向上, 这样, 可确保高灵敏度和可重复的读数。
本系统采用的置位/ 复位电路, 其产生的强电流脉冲为11. 2 A ( > 4 A ) 满足了系统的要求, 从而可实现低噪声和高灵敏度的磁场测量。复位电路如图6 所示, 复位置位由单片机的I/ O 引脚进行控制。

图6 复位置位电路
1. 6 微控制器的选择
本系统采用AVR ATmega 64L 单片机作为微控制器,mega64L 是一个高性能、低功耗的8 位单片机, 工作于16 MHz时性能高达16 MIPS, 能够达到快速计算函数值的要求, 64 K 字节的系统内可编程Flash 满足了编程需求, 也为程序扩展提供了足够的空间[7] 。它内部集成与IEEE1149. 1 标准兼容的JTAG 接口, 支持扩展的片内调试功能,也可以通过JTAG 接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程, 这为以后的固件升级提供了很好的平台。

第二章 系统软件设计
2. 1 复位置位程序设计
置位/ 复位脉冲不需要连续产生。为省电, 一开始可施加SET ( 置位) 脉冲, 随后施加RESET ( 复位) 脉冲, 偏置( OS) 可按下列公式计算, 具体时序如图7 所示, 程序流程图如图8 所示。
OS== (V set+ V rst ) / 2 ( 2)
该偏置项包括传感器电桥和接口电子器件的偏移, 以及传感器电桥和接口电子器件的温度漂移, 保存此偏置值,在以后的电桥输出读数中减去此项即可消除这些误差。
2. 2 干扰的校正
如前所述, 航向角由磁阻传感器输出的Y 与X 确定,罗盘在水平面内旋转时, 感受地磁场输出的Y, X 值如图9所示( 是1 个圆) , 但是在实际的应用中受周围电机等磁体的影响, 输出曲线会有一些变形, 示意图如图10 所示( 有些接近椭圆) , 为了补偿外界磁场的干扰, 可确定两个坐标因数Xs f 和Ysf , 来将椭圆改为圆[ 8] 。于是可计算偏移值Xof f 和Yof f , 将圆中心定在( 0, 0) 原点, 用公式( 2) 来计算Y , X 值。

X 值= X sf ! X 读数+ X of f ( 2)Y 值= Ys f ! Y 读数+ Yof f
这里的定标因数Xs f 和Ysf 可由下述方法获得。
1) 将罗盘在水平面做旋转运动
2) 找出X 和Y 读数的最大值和最小值( 本系统设计采集40 次数据)
3) 用这4 个数值确定X 和Y 定标因数( Xsf, Y sf ) , 以及零偏移值(Xoff, Yoff)Xsf= 1 或Y( 最大- Y 最小) / 2( X 最大- Y 最小)
3)以较大的数值为准Y sf= 1 或( X 最大- Y 最小) / 2( Y 最大- Y 最小)以较大的数值为准Xoff= [ ( X 最大- X 最小) / 2- X 最大] ! Xs f ( 4)Y off= [ ( Y 最大- Y 最小) / 2- Y 最大] ! Ysf
2. 3 程序主流程
本文将整个电子罗盘的工作模式分成校准和正常工作两个模式。罗盘开始工作时向磁阻传感器发送复位/ 复位脉冲, 获取传感器的偏置电压值。当进入正常工作模式时, 进行地磁场的数据采集, 通过A/ D 转换器进行模数转换, 再由微处理器进行航向的计算并更新显示屏; 在进入校准模式时, 提示操作者旋转罗盘, 采集40 次数据, 进行校正参数的计算, 并保存到FLA SH 中。具体流程图如图11 所示。

图11 系统流程图

结束语
本文介绍了基于磁阻传感器的数字式磁罗盘的一种设计方案, 由于此类电子罗盘响应速度快、数据采集方便、精度较高等突出特点, 具有很大的应用前景, 是今后定向设备的发展方向。并且, 这种设备可与雷达等导航设备结合, 实现嵌入式应用。本系统已经制作了电路板, 经过测试表明, 显示精度可达到1° 。
参考文献
[ 1] 邵恩坡, 蒋耘农. GPS 在交通运输中的应用[ J] . 交通标准化, 2006, 5: 24 26.
[ 2] 王国余, 张欣, 景亮. 新型磁阻传感器在地磁场测量中的应用[ J] . 传感器技术, 2002, 21( 10)
[ 3] 袁志荣, 李智. 一种新型磁阻传感器的研究及应用[ J] . 测控技术, 1999, 18( 1) : 39~40.
[ 4] 肖文平, 叶家伟. 磁阻传感器电子罗盘及其在船舶导航中的应用[ J] . 广东造船, 2003, 4: 23~27.
[ 5] 王永强, 曾连荪, 金志华. 一种基于磁阻传感器的数字罗盘的设计[ J] . 计算机测量与控制, 2007. 15 ( 12) :1864~1866.
[ 6] 宋宇宁, 周兆英. 高精度磁阻式罗盘及其SET /RESET 电路设计[ J] . 仪器仪表学报, 2006, 27( 6) :1513~1514.
[ 7] BAENETT R, O∃ CULL L, COX S, 周俊杰( 译) . 嵌入式C 编程与Atmel AVR[ M] . 北京: 清华大学出版社, 2003, 9
[ 8] 霍尼韦尔公司. 磁罗盘的误差分析[ R] .
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