电子罗盘介绍

模块设计
电子罗盘的设计框图如图1所示，可分为3大模块：传 感器模块、数据采集模块和MCU模块。系统 首先利用加 速度计敏感地球重力场中测量载体的姿态，然后通过姿 态坐标变换将磁阻传感器沿载体坐标的测量信号变换到 地平坐标系。在微处理器中进行实时姿态计算、坐标变 换，系统误差补偿，得到载体的姿态参数，将它们通过 串口在上位机实时输出。由于磁阻传感器的输出均为mv 级的电压信号，所以必须经过运算放大器放大后，才可 以送到A／D转换器进行模数转换。
西北工业大学刘诗斌教授的博士学位论文应用磁
通门技术于无人机中并研制了原理样机，对实际 应用中的误差进行了智能补偿；其余国内的大部 分研究仍停留在利用Honeywell公司的磁阻传感器 来制作电子罗盘上，并对产生的误 差进行智能补 偿的阶段。因此可以说电子磁罗盘在国内还是有 很大的发展空间。
电子磁罗盘分类
数据采集模块
在传感器测量范围内，磁阻传感器输出的是 与磁场成正比的差分电压信号，在5v供电的情况 下产 生±30mv的偏置电压，因此可通过信号调理 电路把双极性的电压信号转换成单极性信号，同 时通过模 拟低通滤波，消除高频噪声，最终得到 0一5V的电压范围。 AD7714是一款高分辨率、低 噪声的24位∑一△A／D转换器，支持6路单端信号 输入满足5路信号的采集要求。
传感器模块
本系统所用的磁阻传感器是HMC5883L三轴磁阻 传感器，可测量X，Y，Z轴的磁场分量。其磁场测 量范围是±8G，分辨率可达2mG。传感器尺寸小精 度高功耗低，而且内置自测试电路，方便量产测试， 无需增加额外昂贵的测试设备。加速计采用了可提 供模拟电压输出的小量程、小尺寸、低功耗的 两 轴 加速度计ADXL202，测量范围 是±2g。因为传感器 本身自带了信号调理电路，所以不需要外路，可以 直接接入A／D转换器。
MCU模块
作为整个设计的核心部分，微处理器负责对传 感器采集的信号进行实时处理，通过姿态矩阵和误差 补偿，可以碍到载体的姿态参数。但其计算量较大， 普通的单片机不能满足使用要求，本系统最终选用高 速DSP芯片作为微处理器。n俗320VC5402是一款性价 比极高的16bit定点数字信号处理器，最高工作频率 可达looMHz，提供了两个高速、双向、多通道带缓冲 的串行接口。置位／复位电路是用于消除高强度的磁 场对磁阻传感器的影响，使其恢复到测量磁场的高灵 敏度状
电子磁罗盘设计
方云 边志耀 高振
通信092 通信092 通信092
背景及应用
早在我国北宋时期我们的祖先就发明了简单 的可以指示方向的罗盘，用于行军打仗。随着科 技的发展，半导体材料的不断出现，集成技术的 日益成熟，电子罗盘技术也得到迅速的发展，各 种各样的电子罗盘出现在了我们的生活当中，而 且扮演着重要角色，尤其是在导航方面。同时电 子罗盘在水平孔和垂直孔测量、水下勘探、建筑 物定位、设备维护、仿真系统、教育培训、虚拟 现实等方面有着广泛的应用。
系统误差补偿，得到载 体的姿态参数，将它们通过
串口在上位机实时输出。
复位电路
Hx 信 号
三维磁阻传感器 Hy 调 Hz 理 电 路
Gx
双轴加速计 Gy
A/D 转换器
MCU
RS22
上位机
电子磁罗盘结构示意图
电子磁罗盘基本原理
地球的磁场强度为0.5—0.6gauss，无论何 地，磁场的水平分量永远指向磁北，这是所有电 子罗盘的制作基础。传统的导航定位，通过以下 三个姿态参数：航向角(α)，俯仰角(β)，横滚 角(γ)。将磁阻传感器的三个敏感轴沿载体的三 个坐标轴安装，分别测量地磁场磁感强度H在载体 坐标系三个坐标上的投影分量(Hx，HY，Hz)。在 地 平 坐 标 系 中 ， 磁 阻 传 感 器 的 三 轴 输 出 为 (HR-X, HR-Y, HR-Z)，如下图示所示。
电子罗盘主要分为磁通门、磁阻式和霍尔元件 三种。磁通门传感器是由一套环绕磁芯的线圈组成， 该磁芯配有励磁电路，能够提供低成本的磁场探测 方法，但它们体积偏大、易碎、响应时间慢。霍尔 效应磁传感器的优点是体积小，重量轻，功耗小， 价格便宜，接口电路简单，特别适用于强磁场的测 量。但是，它又有灵敏度低、噪声大、温 度性能 差等缺点。虽然有些高灵敏度或采取了聚磁措施霍 尔器件也能用于测 量地磁场，但一般都是用于要 求不高的场合。
磁阻传感器现在已经可以做成标准的集成芯片， 并且产品也形成了系列。而使用磁阻传感器的电 子罗盘克服了磁通门罗盘的不足，具有体积小、 重量轻、精度高、可靠性强、响应速度快等优点， 是未来电子罗盘的发展方向。
我们的设计
基于现状，本文我们采用磁阻传感器来设计电子磁 罗盘。设计电子磁罗盘的基本思路：首先考虑到三轴磁 阻传感器和加速度计的一些特性，我们采用HMC5883L三 轴磁阻传感器进行地球磁场矢量测量，加速度计 ADXl202敏感地球重力场中测量载体的姿态，然后通过 姿态坐标变换将磁阻传感器沿载体坐标的测量信号变换 到地平坐标系。其次我们将磁阻传感器的输出电压信号 进行放大，之后送到A／D转换器进行模数转换。在微处 理器中进行实时姿态计算、坐标变换，系统误差补偿， 得到载 体的姿态参数，将它们通过串口在上位机实时 输出。最后在微处理器中进行实时姿态计算、坐标变换,
γ
HX
磁北
HY β Y
HZ Z
HR-X=HXcosβ+HY sinβsinγ-HZ sinβcosγ;
HR-Y=HX cosγ+HZ sinβ; 其中α为航向角;β为俯仰角;γ为Biblioteka Baidu滚角
两轴加速计测得的重力加速度为GX、GY已知当地 的重力加速度值为g，可得：
β=arcsin(Gx/g) γ=arcsin(GY/g) α=arctan(HR-Y /HR-X)
国内外研究现状
国外有多家公司研究和生产电子罗盘，尤其 是以Honeywell(霍尼韦尔）公司的磁阻式电子罗 盘和KVH公司生产的磁通门电子罗盘最为著名。
国内的电子罗盘研究由于起步比较晚，国内 生产和销售电子罗盘的厂家基本都是以代理国外 的品牌为主。国内九十年代末开始电子罗盘的研 究。大连海事大学关政军教授利用磁阻传感器研 制了水平状态下的磁罗经；