用磁場(chǎng)傳感器KMZ52設(shè)計(jì)的電子指南針

摘要：介紹了目前用于定位系統(tǒng)中的電子指南針的工作原理，詳細(xì)論述了磁場(chǎng)傳感器芯片KMZ52的工作原理，給出了用KMZ52磁場(chǎng)傳感器設(shè)計(jì)電子指南針的總體設(shè)計(jì)方案和電路，同時(shí)給出了設(shè)計(jì)中的一些特殊處理方法。

１　概述

指南針是一種重要的導(dǎo)航工具，可應(yīng)用在多種場(chǎng)合中。電子指南針內(nèi)部結(jié)構(gòu)固定，沒(méi)有移動(dòng)部分，可以簡(jiǎn)單地和其它電子系統(tǒng)接口，因此可代替舊的磁指南針。并以精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)得到了廣泛運(yùn)用。

Ｐｈｉｌｉｐｓ公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體器件ＫＭＺ５２是一種專(zhuān)門(mén)用于電子指南針的二維磁場(chǎng)傳感器。它采用磁場(chǎng)傳感器的磁阻（ＭＲ）技術(shù)，并用翻轉(zhuǎn)技術(shù)消除信號(hào)偏移，而用電磁反饋技術(shù)來(lái)消除溫度的敏感漂移。由于外界存在干擾，該系統(tǒng)集成了幾種特殊的抗干擾技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)精度。

本文介紹了電子指南針的工作原理及電路設(shè)計(jì)，同時(shí)給出了其抗干擾設(shè)計(jì)以及信號(hào)和數(shù)據(jù)的處理方法。

２　工作原理與總體方案

圖１是ＫＭＺ５２的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和引腳排列。圖中，Ｚ１和Ｚ４為翻轉(zhuǎn)線(xiàn)圈，Ｚ２和Ｚ３為補(bǔ)償線(xiàn)圈。由于環(huán)境溫度可能會(huì)影響系統(tǒng)精度，因此，在高精度系統(tǒng)中，可以通過(guò)補(bǔ)償線(xiàn)圈對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。ＫＭＺ５２內(nèi)部有兩個(gè)正交的磁場(chǎng)傳感器? 分別對(duì)應(yīng)二維平面的Ｘ軸和Ｙ軸。磁場(chǎng)傳感器的原理是利用磁阻（ＭＲ）組成磁式結(jié)構(gòu)，這樣可改變電磁物質(zhì)在外部磁場(chǎng)中的電阻系數(shù)。以便在磁場(chǎng)傳感器的翻轉(zhuǎn)線(xiàn)圈Ｚ１和Ｚ２上加載翻轉(zhuǎn)電信號(hào)后使之能夠產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。由于該變化磁場(chǎng)會(huì)造成磁阻變化（ΔＲ）０并將其轉(zhuǎn)化成變化的差動(dòng)電壓輸出，這樣，就能根據(jù)磁場(chǎng)大小正比于輸出差動(dòng)電壓的原理，分別讀取對(duì)應(yīng)的兩軸信號(hào)，然后再進(jìn)行處理計(jì)算即可得到偏轉(zhuǎn)角度。

整個(gè)電子指南針系統(tǒng)主要由傳感器單元、信號(hào)調(diào)整單元（ＳＣＵ）、方向確定單元（ＤＤＵ）和顯示單元四部分組成。電子指南針的總體設(shè)計(jì)框圖如圖２所示。圖中，磁場(chǎng)傳感器ＫＭＺ５２用于將地磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出，信號(hào)調(diào)整單元用于將磁場(chǎng)傳感器單元中的輸出信號(hào)成比例放大，并將其轉(zhuǎn)換成合適的信號(hào)ｈｅｘ和ｈｅｙ，同時(shí)消除信號(hào)的偏移。對(duì)于保證系統(tǒng)的精度來(lái)說(shuō)，ＳＣＵ是最重要的部件。通過(guò)ＤＤＵ可將信號(hào)調(diào)整單元輸出的兩路信號(hào)ｈｅｘ和 ｈｅｙ進(jìn)行放大，然后再按下式計(jì)算出偏轉(zhuǎn)角度α：

α＝ａｒｃｔａｎ?ｈｅｙ／ｈｅｘ?

這樣根據(jù)抗干擾技術(shù)算法對(duì)α進(jìn)行處理就可得出該磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)角度，最后通過(guò)顯示單元進(jìn)行輸出。

３　硬件設(shè)計(jì)

該電子指南針系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)如圖３所示。由于ＫＭＺ５２內(nèi)部橋式結(jié)構(gòu)的磁阻輸出是差動(dòng)電壓，通過(guò)運(yùn)算放大器可以成比例放大，因此，在測(cè)量地磁場(chǎng)信號(hào)時(shí)，為了將兩個(gè)磁場(chǎng)傳感器信號(hào)放大同樣的倍數(shù)，可以將二者的翻轉(zhuǎn)線(xiàn)圈串聯(lián)，并對(duì)差動(dòng)電壓選用同樣的運(yùn)放結(jié)構(gòu)。翻轉(zhuǎn)信號(hào)從①口輸入，Ｘ、Ｙ軸差動(dòng)電壓信號(hào)則分別從②、③口輸出。然后通過(guò)處理系統(tǒng)對(duì)傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行Ａ／Ｄ采樣、數(shù)值處理和校正后，即可得到所求的角度。

４　數(shù)值處理

由于ＫＭＺ５２的輸出信號(hào)很微弱，故信號(hào)干擾較大。在輸出幅值很小的位置上，通常有３００ｍＶ左右且變化很大的干擾；而在輸出幅值時(shí)則近似保持恒值。兩路信號(hào)幅值與角度的關(guān)系如圖４所示。

    為使二者的比值接近ｔａｎα?０＜α＜９０°?的變化，可以在幅值較大且數(shù)值變化較小的角度范圍內(nèi)，使幅值保持基本不變；而在幅值較小且數(shù)值變化較大的角度范圍內(nèi)，用一個(gè)函數(shù)改變其幅值變化曲線(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，可按照一定角度對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行分段，并對(duì)各段用一次函數(shù)ｙ＝ａｘ＋ｂ去擬合。這樣，就可以使幅值變化曲線(xiàn)接近ｔａｎα。角度劃分越細(xì)，精度越高。磁場(chǎng)傳感器ＫＭＺ５２的精度為３°，若按１５°劃分，可將精度提高到１°。若按５°對(duì)其劃分，精度可高達(dá)０．３°。如劃分更細(xì)，精度還可進(jìn)一步提高。若采用高階函數(shù)去擬合，也可以提高精度。實(shí)際上，在精度要求不高的情況下，通常以１５°劃分就可以達(dá)到要求。

５ 干擾校正

有時(shí)候，某些外來(lái)磁場(chǎng)疊加會(huì)產(chǎn)生一個(gè)恒定磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)指示將造成影響。故可采用如下方法對(duì)其進(jìn)行校正：

讓整個(gè)系統(tǒng)在水平面上旋轉(zhuǎn)一周，干涉磁場(chǎng)與地球磁場(chǎng)疊加會(huì)有一個(gè)最大值Ｖｍａｘ和一個(gè)最小值Ｖｍｉｎ，記錄下這兩個(gè)值和達(dá)到最大值（或最小值）的角度φ，再經(jīng)過(guò)校正，即可消除磁場(chǎng)的影響?，F(xiàn)以圖５所示的干擾校正方案為例來(lái)加以說(shuō)明。

    設(shè)地球磁場(chǎng)的大小為Ｖｅａｒ，干擾磁場(chǎng)的大小為Ｖｄｉｓ?則有：Ｖｅａｒ＝（Ｖｍａｘ＋Ｖｍｉｎ）／２?

Ｖｄｉｓ＝（Ｖｍａｘ－Ｖｍｉｎ）／２?

這樣，由正弦定理Ｖｅａｒ／ｓｉｎφ＝Ｖｄｉｓ／ｓｉｎγ可求出γ。然后在α上加上γ角即可消除干擾磁場(chǎng)的影響。

６　結(jié)束語(yǔ)

本電子指南針采用特殊的數(shù)據(jù)處理方法提高了系統(tǒng)的精度。由于系統(tǒng)采用了抗干擾技術(shù)，因而減小了其它因素所造成的影響，使系統(tǒng)精度進(jìn)一步得到提高。此外，該系統(tǒng)本身可測(cè)量２維磁場(chǎng)，故可以很方便地與另一個(gè)１維磁場(chǎng)傳感器（ＫＭＺ５１）組成３維測(cè)量系統(tǒng)，以消除傾斜現(xiàn)象。由于本系統(tǒng)可以采用各種處理平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此具有良好的可移植性，可廣泛用于定位系統(tǒng)，而且可靠性好，精度很高。