基于磁阻传感器的带倾斜补偿的电子罗盘的研制
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３．２
安装误差
对于磁阻传感器和三轴加速度传感器在载体上的安 装，有一个安装误差．安装误差是安装传感器时三个测量 轴与载体对应的轴不平行造成的，文献［１］给出了一种解决
办法． ３．３环境误差
环境误差是磁阻传感器受周围的铁磁材料影响引起的
误差，这个误差是比较明显的，也是不容易消除的．铁磁材 料的影响分为两类：硬铁干扰和软铁干扰．硬铁十扰产生
２．１．３数据采集及处理部分
为了保证电子罗盘的精度，Ａ／Ｄ转换器的选择是一个关键．这里主要考虑位数，经计算，为保证精度为 １０，须使用１２位或以上位数的Ａ／Ｄ转换器｜３］．本文使用ＴＬＣ２５４３，它是一款具有１１通道的１２位串行模数 转换器，满足设计对位数和通道数的需求．ＴＩ。Ｃ２５４３具有ＳＰＩ（串行外设接口），而ＡＴ８９Ｓ５２没有ＳＰＩ，所以 它们之间的接口采用模拟ＳＰＩ的形式Ⅲ．文献［４］给出了详细的解决方案．Ａ／Ｄ转换器获得的转换结果存 人单片机，然后根据算法进行计算处理，最后在ＬＣＤ显示模块ＹＭｌ２８６４Ｒ上显示结果． ２．２软件设计 软件采用模块化设计，便于调试．软件编写采用汇编语言，使用ＭＣＳ－－５１的运算子程序‘５３实现浮点数
第３９卷第３期 ２００９年５月
河南大学学报（自然科学版）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｕｎ来自百度文库ｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ）
Ｖ０１．３９
Ｎｏ．３
Ｍａｙ ２００９
基于磁阻传感器的带倾斜补偿的电子罗盘的研制
王君，罗冰
（吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春１３００００）
摘要：研制了一种采用磁阻传感器和＝三轴加速度传感器的具有倾斜补偿功能的电子罗盘．介绍了电子罗盘的测
ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙ
ｕｎｄｅｒ ｉｄｅａｌ ｃｏｎｄｉｔｏｎ
仪进行校正和比对，精度达到１０．本系统可用于野外定向、汽车导航、小型飞机和船舶导航等领域．
参考文献： ［１］郑玉冰，章雪挺，刘敬彪．ＡＭＲ电子罗盘的设计及其误差补偿［ｊ］．杭州电子科技大学学报。２００８，２８（２）：４１—４４． ［２］ＣａｒｕｓｏＭＪ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
磁阻传感器的输出信号为１ ｍＶ左右，为了满足Ａ／Ｄ转换器量程（ｏ～５Ｖ）的要求，必须进行放大．信号 调理部分的作用是对磁阻传感器的输出信号进行放大和调整，达到０．５～４．５
Ｖ．
由于磁阻传感器的输出是毫伏级的差分信号，而普通放大器都会有毫伏级的失调电压和每度几微伏的 温漂，所以不能直接使用．考虑到共模抑制比、温度漂移、开环增益等指标，以及磁阻传感器输出信号为差分 形式，采用仪用放大器ＡＤ６２０作为一级放大，增益设为１０００倍，同时用电容实现简单的低通滤波．采用精 密放大器ＯＰ０７作为二级放大，配合仪用放大器的参考电压端调节输出电压为０．５～４．５ Ｖ．缓冲器是使用 ＬＭ３２４搭建成的电压跟随器，作用是在信号源（传感器和两级放大电路）与负载（Ａ／Ｄ转换器）之间起到缓冲 作用，使传感器信号得到真值采样．
２１． ｏｆ ｍａｇｎｅｔｏ ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ
ｓｅｎｓｏｒｓ
ｉｎ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ
ｓｙｓｔｅｍｓＥＪ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ
ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，１９９７，４２（９）：１５—
［３３
Ｃａｒｕｓｏ
ＭＪ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ
ｓｅｎｓｏｒｓ
ｆｏｒ ｌｏｗ
ＣＯＳｔ
ｃｏｍｐａｓｓ
万方数据
２４６
河南大学学报（自然科学版），２００９年，第３９卷第３期
的运算．软件流程图如图３所示． ３
误差分析
制造误差分为３个方面：①是磁阻传感器三轴的灵敏
３．１制造误差
度不一致引起的灵敏度误差；②是磁阻传感器三轴在制造 时不能保证正交而产生的正交误差；③是传感器、模拟电路
和Ａ／Ｄ转换的零点不为零所引起的零位误差…．
ｍａｇｎｅｌＤｒｅｓｉｓｔｊｙｅ
ａｒｅ
ｓｅｎｓｏｒ
ａｎｄ ３－－ａｘｅｓ
ｅｒｒｏｒｓ
ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｒｅｒ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｓｓ
ａｒｅ
ｉｎｔｒｏｄｕｅｅｄ．Ｔｈｅ
ｃｏｍｐａｓｓ
ｊ讯２ Ｘ＊ｃｏｓ（９）＋Ｙ＊ｓｉｎ（Ｏ）＊ｓｉｎ（９）一Ｚ＊ｃｏｓ（Ｏ）＊ｓｉｎ（＿９０）． Ｙｈ＝Ｙ＊ｃｏｓ（Ｏ）＋Ｚ＊ｓｉｎ（Ｏ）．
考虑到当地磁偏角卢（长春为８。５３’，航向角为Ｈ＝ａｒｃｔａｎ（Ｙｈ／Ｘｈ）＋戽
收稿Ｅｔ期：２００９—０１—１６
作者简介：王君（１９５５一），男，山东乳山人ｔ吉林大学教授，硕士生导师，主要从事传感器与智能仪器研究．Ｅ－ｍａｉｌ
图３软件流程图
Ｆｉｇ．３ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ
于永久磁铁（如电子罗盘周围可能出现的被磁化的钢），这些干扰源的大小及其与电子罗盘的相对位置恒定． 在理想情况下，电子罗盘旋转一周，Ｘ＾和ｙ＾的输出曲线图是圆形，如图４所示．硬铁干扰使圆心偏移了，如
图５所示．
文献［３］给出了一个简便的解决办法：把罗盘旋转一周。测得输出曲线图上若干点，然后求出圆心（ｚ， ｙ），以后每次罗盘读数都减去此偏移．本系统采用这个方法对电子罗盘进行硬铁干扰的补偿．
ｃａｎ
ｏｆ
ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｉｓ
ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ
ｏｆ
ｈｉｇｈ
ｖａｌｕｅ ｗｉｔｈ
ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅ ｐｒｉｃｅ，ａｎｄ
ｂｅ
ｕｓｅｄ
ｉｎ
ｃｏｍｍｏｎ
ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ， Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｓｅｎｓｏｒ；ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｍｐａｓｓ；ｅｒｒｏｒｓ ａｎａｌｙｓｉｓ
Ｆｉｇ．１ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ
度．在实际应用中，电子罗盘不在水平面上时，会产生较大的倾 角误差．因此，对于此时航向角的确定，还需要测量Ｚ轴磁场分 量、俯仰角中和横滚角Ｏ（见图１），以补偿倾角误差．公式如下：
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ【Ｘ．Ｙ，Ｚ）ａｎｄ ａｔｔｉｔｕｄｅ
ａ
ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ｛ｒｏｌｌＯ－ｐｉｔｃｈ｜ｑｏ）ｏｎ
ｓｙｓｔｅｍｓ［ＥＢ／（）Ｉ。］．Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ
ＳＳＥＣ．
［４］李映颖，王海军，盂祥谦．串行ＡＤ转换器Ｔ１。Ｃ２５４３与５１系列单片机的接ｌＩ设计［Ｊ］．仪表技术，２００４，ｌ：２２—２３． ［５］边春远。王志强．ＭｃＳ一５１单片机应用开发实用子程序［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００５． ［６］邵婷婷，马建仓，张永波．具有倾斜补偿功能的三轴磁阻电子罗盘研制［Ｊ］．电子测量技术，２００８，３１（６）：１４０—１４２． ［７］程德福，王君。凌振宝，王占章．传感器原理及应用ＬＭ］．北京：机械＋ｒ业出版社，２００７．
责任编辑：梁宏伟
万方数据
传感器芯片里有置位复位电流带，省去了外加
线圈的需要．
在大磁场环境下，磁阻传感器薄膜的磁化 极性破坏会使传感器特性变差，置位复位电路 产生窄电流脉冲，可消除大磁场的影响，使其保 持对磁场的高灵敏度状态．本文使用 ＨＥＸＦＥＴ驱动器ＩＲＦ７１０５设计置位复位电 路，由单片机控制产生大电流脉冲． 加速度传感器采用ＭＭＡ７２６０，它具有三 轴测量、模拟输出、灵敏度高、尺寸小、功耗低、 量程可选等特点．其输出经过简单的低通滤波 后即可接人Ａ／Ｄ转换器．通过对测得的加速度分量计算，即可得到俯仰角９和横滚角ｅ，计算公式为ｐ＝
导航系统已在航空、航天、航海、汽车、勘探等领域广泛应用．电子罗盘是导航系统中不可缺少的重要组 成部分Ⅲ．按敏感元件工作原理的不同，电子罗盘分为多种．其中，基于磁阻传感器的电子罗盘越来越受到 人们的重视．它具有体积小、重量轻、功耗低、精度高、稳定性好、响应速度快、易于制造安装、易于集成化的 优点，是未来电子罗盘的发展方向‘“．本文设计的电子罗盘采用磁阻传感器测量地磁场矢量的三维分量，利 用三轴加速度传感器间接测出横滚角和俯仰角，通过单片机实现计算和校正，得出载体的航向角． １
Ｆｉｇ．２
图２罗盘系统框图
Ｃｏｍｐａｓｓ ｓｙｓｔｅｍ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ
ａｒｃｓｉｎ（Ａｘ／ｇ），口一ａｒｃｓｉｎ（Ａｙ／ｇｃｏｓ妒）．其中，触、Ａｙ分别是横、纵轴的加速度分量，ｇ为重力加速度．
ＭＭＡ７２６０是３．３ Ｖ供电，采用ＴＬＶｌｌｌ７—３３得到３．３ Ｖ电压． ２．１．２信号调理部分
电子罗盘的测量原理
地磁场强度为０．５～Ｏ．６ Ｇａｕｓｓ，地磁场的水平分量指向磁
北极．对于两轴电子罗盘，由于其工作原理是测得地磁场的水 平分量在其正交的两测量轴的分量Ｘ和ｙ．然后用公式Ｈ—
ａｒｃｔａｎ（Ｙ／Ｘ）算得航向角，所以它只能水平放置才能保证精确
圈１ 罗盘的坐标轴ｌＸ。ｙ．Ｚ）和姿态 ｌ横滚角０。俯仰角妒）
ｏｎ
Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｓｅｎｓｏｒ
ＷＡＮＧ Ｊｕｎ，ＬＵＯ Ｂｉｎｇ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ
ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００００，Ｃｈｉｎａ）
ｏｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｍｐａｓｓ ｗｉｔｈ ｔｉｌｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｂａｓｅｄ
量原理、系统设计和软件流程，并对电子罗盘的误差进行ｒ分析．该系统性价比高，可用于普通导航领域．
关键词：磁阻传感器；加速度传感器；电子罗盘｝误差分析
中图分类号：Ｖ２４ｔ．６１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００３—４９７８（２００９１０３～０２４４—０３
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｏｆ
ａ
Ｃｏｍｐａｓｓ ｗｉｔｈ Ｔｉｌｔ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ
Ｉｏ．ｏ）
＼
姗
Ｊ（Ｘｈ一．ｏ）
０∥）
Ｊ（勘一十ｘ∥）
图４理想输出曲线图
Ｆｉｇ．４ Ｃｕｒｖｅ ｄｉａｇｒａｍ ｗｈｅｎ ｒｏｔａｔｅｄ
图５硬铁干扰下的偏移
Ｆｉｇ．５ Ｈａｒｄ ｉｒｏｎ ｏｆｆｓｅｔｓ ｗｈｅｎ ｒｏｔａｔｅｄ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙ
盘，该系统容易实现，性价比高．在室外进行
校正和测试，水平放置情况下，用地质罗盘
２．１．１传感器部分 磁阻传感器是由在硅圆片上电积的一个薄
层镍铁薄膜制成．本系统用霍尼韦尔公司的 ＨＭＣｌ０２２／１０２１Ｚ双轴／单轴磁阻传感器，组成 三轴磁阻传感器。用来测量Ｘ、ｙ、Ｚ轴的磁场 分量．磁场测量范围是±６ Ｇａｕｓｓ，灵敏度为
１．０
ｍＶ／（Ｖ・Ｇａｕｓｓ－１），分辨率为８５
ｐＧａｕｓｓ，
ｗａｎｇｊｕｎ＠ｉｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．
万方数据
王君，等：基于磁阻传感器的带倾斜补偿的电子罗盘的研制
２４５
２系统设计
２．１系统总体结构 电子罗盘系统的框图如图２所示，可分为３大部分：传感器部分、信号调理部分和数据采集及处理部分． 采用三轴磁阻传感器和三轴加速度传感器组合测量，经过信号调理电路放大整理，利用模数转换器进行数据 采集，得到三维空间中的加速度分量（Ａｘ和Ａｙ）和地磁场分量（Ｘ、Ｙ和Ｚ），通过ＡＴ８９Ｓ５２单片机进行航向 角的计算与输出．
软铁干扰来自于地球磁场与罗盘附近
３ｎ
』，，
的任何磁性材料之间的相互作用．软铁Ｆ扰
是暂时而多变的，对软铁于扰的处理，有很 多种方法，本系统使用的方法是移去电子罗 盘周围的软铁物质和对电子罗盘平台消磁． ４
（。，Ｙｈ一）
婶，豫一■）
结语
研制了一种带倾斜补偿的三轴电子罗
．厂 、、』， 厂 、＼ ‘＼ 乡 ＼ ．乡
安装误差
对于磁阻传感器和三轴加速度传感器在载体上的安 装，有一个安装误差．安装误差是安装传感器时三个测量 轴与载体对应的轴不平行造成的，文献［１］给出了一种解决
办法． ３．３环境误差
环境误差是磁阻传感器受周围的铁磁材料影响引起的
误差，这个误差是比较明显的，也是不容易消除的．铁磁材 料的影响分为两类：硬铁干扰和软铁干扰．硬铁十扰产生
２．１．３数据采集及处理部分
为了保证电子罗盘的精度，Ａ／Ｄ转换器的选择是一个关键．这里主要考虑位数，经计算，为保证精度为 １０，须使用１２位或以上位数的Ａ／Ｄ转换器｜３］．本文使用ＴＬＣ２５４３，它是一款具有１１通道的１２位串行模数 转换器，满足设计对位数和通道数的需求．ＴＩ。Ｃ２５４３具有ＳＰＩ（串行外设接口），而ＡＴ８９Ｓ５２没有ＳＰＩ，所以 它们之间的接口采用模拟ＳＰＩ的形式Ⅲ．文献［４］给出了详细的解决方案．Ａ／Ｄ转换器获得的转换结果存 人单片机，然后根据算法进行计算处理，最后在ＬＣＤ显示模块ＹＭｌ２８６４Ｒ上显示结果． ２．２软件设计 软件采用模块化设计，便于调试．软件编写采用汇编语言，使用ＭＣＳ－－５１的运算子程序‘５３实现浮点数
第３９卷第３期 ２００９年５月
河南大学学报（自然科学版）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｕｎ来自百度文库ｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ）
Ｖ０１．３９
Ｎｏ．３
Ｍａｙ ２００９
基于磁阻传感器的带倾斜补偿的电子罗盘的研制
王君，罗冰
（吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春１３００００）
摘要：研制了一种采用磁阻传感器和＝三轴加速度传感器的具有倾斜补偿功能的电子罗盘．介绍了电子罗盘的测
ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙ
ｕｎｄｅｒ ｉｄｅａｌ ｃｏｎｄｉｔｏｎ
仪进行校正和比对，精度达到１０．本系统可用于野外定向、汽车导航、小型飞机和船舶导航等领域．
参考文献： ［１］郑玉冰，章雪挺，刘敬彪．ＡＭＲ电子罗盘的设计及其误差补偿［ｊ］．杭州电子科技大学学报。２００８，２８（２）：４１—４４． ［２］ＣａｒｕｓｏＭＪ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
磁阻传感器的输出信号为１ ｍＶ左右，为了满足Ａ／Ｄ转换器量程（ｏ～５Ｖ）的要求，必须进行放大．信号 调理部分的作用是对磁阻传感器的输出信号进行放大和调整，达到０．５～４．５
Ｖ．
由于磁阻传感器的输出是毫伏级的差分信号，而普通放大器都会有毫伏级的失调电压和每度几微伏的 温漂，所以不能直接使用．考虑到共模抑制比、温度漂移、开环增益等指标，以及磁阻传感器输出信号为差分 形式，采用仪用放大器ＡＤ６２０作为一级放大，增益设为１０００倍，同时用电容实现简单的低通滤波．采用精 密放大器ＯＰ０７作为二级放大，配合仪用放大器的参考电压端调节输出电压为０．５～４．５ Ｖ．缓冲器是使用 ＬＭ３２４搭建成的电压跟随器，作用是在信号源（传感器和两级放大电路）与负载（Ａ／Ｄ转换器）之间起到缓冲 作用，使传感器信号得到真值采样．
２１． ｏｆ ｍａｇｎｅｔｏ ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ
ｓｅｎｓｏｒｓ
ｉｎ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ
ｓｙｓｔｅｍｓＥＪ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ
ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，１９９７，４２（９）：１５—
［３３
Ｃａｒｕｓｏ
ＭＪ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ
ｓｅｎｓｏｒｓ
ｆｏｒ ｌｏｗ
ＣＯＳｔ
ｃｏｍｐａｓｓ
万方数据
２４６
河南大学学报（自然科学版），２００９年，第３９卷第３期
的运算．软件流程图如图３所示． ３
误差分析
制造误差分为３个方面：①是磁阻传感器三轴的灵敏
３．１制造误差
度不一致引起的灵敏度误差；②是磁阻传感器三轴在制造 时不能保证正交而产生的正交误差；③是传感器、模拟电路
和Ａ／Ｄ转换的零点不为零所引起的零位误差…．
ｍａｇｎｅｌＤｒｅｓｉｓｔｊｙｅ
ａｒｅ
ｓｅｎｓｏｒ
ａｎｄ ３－－ａｘｅｓ
ｅｒｒｏｒｓ
ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｒｅｒ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｓｓ
ａｒｅ
ｉｎｔｒｏｄｕｅｅｄ．Ｔｈｅ
ｃｏｍｐａｓｓ
ｊ讯２ Ｘ＊ｃｏｓ（９）＋Ｙ＊ｓｉｎ（Ｏ）＊ｓｉｎ（９）一Ｚ＊ｃｏｓ（Ｏ）＊ｓｉｎ（＿９０）． Ｙｈ＝Ｙ＊ｃｏｓ（Ｏ）＋Ｚ＊ｓｉｎ（Ｏ）．
考虑到当地磁偏角卢（长春为８。５３’，航向角为Ｈ＝ａｒｃｔａｎ（Ｙｈ／Ｘｈ）＋戽
收稿Ｅｔ期：２００９—０１—１６
作者简介：王君（１９５５一），男，山东乳山人ｔ吉林大学教授，硕士生导师，主要从事传感器与智能仪器研究．Ｅ－ｍａｉｌ
图３软件流程图
Ｆｉｇ．３ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ
于永久磁铁（如电子罗盘周围可能出现的被磁化的钢），这些干扰源的大小及其与电子罗盘的相对位置恒定． 在理想情况下，电子罗盘旋转一周，Ｘ＾和ｙ＾的输出曲线图是圆形，如图４所示．硬铁干扰使圆心偏移了，如
图５所示．
文献［３］给出了一个简便的解决办法：把罗盘旋转一周。测得输出曲线图上若干点，然后求出圆心（ｚ， ｙ），以后每次罗盘读数都减去此偏移．本系统采用这个方法对电子罗盘进行硬铁干扰的补偿．
ｃａｎ
ｏｆ
ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｉｓ
ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ
ｏｆ
ｈｉｇｈ
ｖａｌｕｅ ｗｉｔｈ
ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅ ｐｒｉｃｅ，ａｎｄ
ｂｅ
ｕｓｅｄ
ｉｎ
ｃｏｍｍｏｎ
ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ， Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｓｅｎｓｏｒ；ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｍｐａｓｓ；ｅｒｒｏｒｓ ａｎａｌｙｓｉｓ
Ｆｉｇ．１ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ
度．在实际应用中，电子罗盘不在水平面上时，会产生较大的倾 角误差．因此，对于此时航向角的确定，还需要测量Ｚ轴磁场分 量、俯仰角中和横滚角Ｏ（见图１），以补偿倾角误差．公式如下：
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ【Ｘ．Ｙ，Ｚ）ａｎｄ ａｔｔｉｔｕｄｅ
ａ
ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ｛ｒｏｌｌＯ－ｐｉｔｃｈ｜ｑｏ）ｏｎ
ｓｙｓｔｅｍｓ［ＥＢ／（）Ｉ。］．Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ
ＳＳＥＣ．
［４］李映颖，王海军，盂祥谦．串行ＡＤ转换器Ｔ１。Ｃ２５４３与５１系列单片机的接ｌＩ设计［Ｊ］．仪表技术，２００４，ｌ：２２—２３． ［５］边春远。王志强．ＭｃＳ一５１单片机应用开发实用子程序［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００５． ［６］邵婷婷，马建仓，张永波．具有倾斜补偿功能的三轴磁阻电子罗盘研制［Ｊ］．电子测量技术，２００８，３１（６）：１４０—１４２． ［７］程德福，王君。凌振宝，王占章．传感器原理及应用ＬＭ］．北京：机械＋ｒ业出版社，２００７．
责任编辑：梁宏伟
万方数据
传感器芯片里有置位复位电流带，省去了外加
线圈的需要．
在大磁场环境下，磁阻传感器薄膜的磁化 极性破坏会使传感器特性变差，置位复位电路 产生窄电流脉冲，可消除大磁场的影响，使其保 持对磁场的高灵敏度状态．本文使用 ＨＥＸＦＥＴ驱动器ＩＲＦ７１０５设计置位复位电 路，由单片机控制产生大电流脉冲． 加速度传感器采用ＭＭＡ７２６０，它具有三 轴测量、模拟输出、灵敏度高、尺寸小、功耗低、 量程可选等特点．其输出经过简单的低通滤波 后即可接人Ａ／Ｄ转换器．通过对测得的加速度分量计算，即可得到俯仰角９和横滚角ｅ，计算公式为ｐ＝
导航系统已在航空、航天、航海、汽车、勘探等领域广泛应用．电子罗盘是导航系统中不可缺少的重要组 成部分Ⅲ．按敏感元件工作原理的不同，电子罗盘分为多种．其中，基于磁阻传感器的电子罗盘越来越受到 人们的重视．它具有体积小、重量轻、功耗低、精度高、稳定性好、响应速度快、易于制造安装、易于集成化的 优点，是未来电子罗盘的发展方向‘“．本文设计的电子罗盘采用磁阻传感器测量地磁场矢量的三维分量，利 用三轴加速度传感器间接测出横滚角和俯仰角，通过单片机实现计算和校正，得出载体的航向角． １
Ｆｉｇ．２
图２罗盘系统框图
Ｃｏｍｐａｓｓ ｓｙｓｔｅｍ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ
ａｒｃｓｉｎ（Ａｘ／ｇ），口一ａｒｃｓｉｎ（Ａｙ／ｇｃｏｓ妒）．其中，触、Ａｙ分别是横、纵轴的加速度分量，ｇ为重力加速度．
ＭＭＡ７２６０是３．３ Ｖ供电，采用ＴＬＶｌｌｌ７—３３得到３．３ Ｖ电压． ２．１．２信号调理部分
电子罗盘的测量原理
地磁场强度为０．５～Ｏ．６ Ｇａｕｓｓ，地磁场的水平分量指向磁
北极．对于两轴电子罗盘，由于其工作原理是测得地磁场的水 平分量在其正交的两测量轴的分量Ｘ和ｙ．然后用公式Ｈ—
ａｒｃｔａｎ（Ｙ／Ｘ）算得航向角，所以它只能水平放置才能保证精确
圈１ 罗盘的坐标轴ｌＸ。ｙ．Ｚ）和姿态 ｌ横滚角０。俯仰角妒）
ｏｎ
Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｓｅｎｓｏｒ
ＷＡＮＧ Ｊｕｎ，ＬＵＯ Ｂｉｎｇ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ
ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００００，Ｃｈｉｎａ）
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｍｐａｓｓ ｗｉｔｈ ｔｉｌｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｂａｓｅｄ
量原理、系统设计和软件流程，并对电子罗盘的误差进行ｒ分析．该系统性价比高，可用于普通导航领域．
关键词：磁阻传感器；加速度传感器；电子罗盘｝误差分析
中图分类号：Ｖ２４ｔ．６１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００３—４９７８（２００９１０３～０２４４—０３
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｏｆ
ａ
Ｃｏｍｐａｓｓ ｗｉｔｈ Ｔｉｌｔ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ
Ｉｏ．ｏ）
＼
姗
Ｊ（Ｘｈ一．ｏ）
０∥）
Ｊ（勘一十ｘ∥）
图４理想输出曲线图
Ｆｉｇ．４ Ｃｕｒｖｅ ｄｉａｇｒａｍ ｗｈｅｎ ｒｏｔａｔｅｄ
图５硬铁干扰下的偏移
Ｆｉｇ．５ Ｈａｒｄ ｉｒｏｎ ｏｆｆｓｅｔｓ ｗｈｅｎ ｒｏｔａｔｅｄ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙ
盘，该系统容易实现，性价比高．在室外进行
校正和测试，水平放置情况下，用地质罗盘
２．１．１传感器部分 磁阻传感器是由在硅圆片上电积的一个薄
层镍铁薄膜制成．本系统用霍尼韦尔公司的 ＨＭＣｌ０２２／１０２１Ｚ双轴／单轴磁阻传感器，组成 三轴磁阻传感器。用来测量Ｘ、ｙ、Ｚ轴的磁场 分量．磁场测量范围是±６ Ｇａｕｓｓ，灵敏度为
１．０
ｍＶ／（Ｖ・Ｇａｕｓｓ－１），分辨率为８５
ｐＧａｕｓｓ，
ｗａｎｇｊｕｎ＠ｉｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．
万方数据
王君，等：基于磁阻传感器的带倾斜补偿的电子罗盘的研制
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２系统设计
２．１系统总体结构 电子罗盘系统的框图如图２所示，可分为３大部分：传感器部分、信号调理部分和数据采集及处理部分． 采用三轴磁阻传感器和三轴加速度传感器组合测量，经过信号调理电路放大整理，利用模数转换器进行数据 采集，得到三维空间中的加速度分量（Ａｘ和Ａｙ）和地磁场分量（Ｘ、Ｙ和Ｚ），通过ＡＴ８９Ｓ５２单片机进行航向 角的计算与输出．
软铁干扰来自于地球磁场与罗盘附近
３ｎ
』，，
的任何磁性材料之间的相互作用．软铁Ｆ扰
是暂时而多变的，对软铁于扰的处理，有很 多种方法，本系统使用的方法是移去电子罗 盘周围的软铁物质和对电子罗盘平台消磁． ４
（。，Ｙｈ一）
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结语
研制了一种带倾斜补偿的三轴电子罗
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