电子罗盘

加速度计ADXL202的性能指标： 1、具有脉宽占空比输出； 2、低功耗； 3、高分辨率； 4、精度高；
元件的参考价格
参考价格如下表
序号 1 2 元件名称 三轴磁阻传感器 加速度计 型号 HMC5883l adxl202aqc 价格 13元 10元
3
4
单片机
A\D转换器
AT89C2051
AD7714
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。 2 、王勇军、李军、李翔 . 三轴电子罗盘的设计与 误差校正。 3 、郭检柟 . 基于磁阻芯片和 MSP430 单片机的电子 罗盘设计。 4 、刘武发、蒋蓁、龚振邦 . 基于磁阻和 MEMS 加速 传感器的电子罗盘设计及应用。
电子磁罗盘设计
方云 通信092 边志耀 通信092 高振 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。
wk.baidu.com 分工
1、综述共同完成 2、原理图、PCB制作、元器件焊接将由边志耀完成。 3、电子罗盘的软件设计及编程将由方云完成。 4、电子罗盘设计完成后的参数确定、误差分析及计 算由高振负责。
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
主要元件的性能指标
HMC5883三轴磁阻传感器的性能指标： 1、数字量输出：I2C数字量输出接口,设计使用方便。 2、尺寸小:3x3x0.9mmLCC封装，适合大规模量产使用。 3、精度高：1－2度，内置12位A/D,OFFSET,SET/RESET 电路,不会出现磁饱和现象，不会有累加误差。 4、支持自动校准程序，简化使用步骤，终端产品使用 非常方便。 5、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。 6、功耗低：供电电压1.8V, 功耗睡眠模式--2.5微测量 模式--0.6mA。
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
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。
γ
HX HY HZ Z
磁北 Y β
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 为横滚角
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)
加速度计误差
加速的计而引起的误差某种程度上是依赖于地理 位置因为在赤道附近磁场是水平的， HX 和 HY 比较 大，小的Z分量作为修正，倾角误差不是很大。但 是当靠近磁极附近 HX和HY较小，Z分量比较大，倾 角误差明显。而倾角误差于方位角有关，南北方 向误差较小，东西方向误差比较大。
A/D转换器误差
3元/片
15
结论
基于磁阻传感器 hmc5883l 和 MEMS 加速传感 器ADXl202设计的三轴电子罗盘，通过采用信号差 分放大电路、置位／复位电路及合理的软件补偿， 有效地抑制了传感器的失调、漂移以及外界磁场 对传感器的影响，并借助高性能微处理器完成了 电子罗盘误差的校正，最终实现了电子罗盘的小 型化、数字化，并获得了较高的精度。具有很大 的应用前景，是定向设备发展方向。
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
三维磁阻传感器
Hy Hz
信 号 调 理 电 路
MCU
A/D 转换器
RS22
双轴加速计
Gx Gy
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。
温度影响
传感器的温度系数也将影响航向角的精度， 两种需要考虑：一种是偏移随温度的漂移，另一 种是灵敏度温度系数。由于 HMC5883l 三个相互垂 直轴x 、y 、z 在同一个封装中，他们的温度系数 匹配的很好，这样三轴经历相同的温度变化也相 同。X 和 y 的比率没有太大的影响。磁阻传感器的 偏移随温度漂移并不匹配，两个传感器可能反向 漂移，对航向角产生较大误差，在磁阻传感器中 采取复位和置位开关电路进行补偿。
A ／ D 转换器实际工作时，都会引入一些误差， 主要包括：静态误差、孔径误差和量化误差。各 种误差都是以最低有效位 (LSB) 作为计算单位。 1LSB 定义为 VREF ／ 2n ，定义中的 VREF 是指参考电 压，而n则是模拟／数字转换器的分辨率。例如， 14位模拟／数字转换器的1 LSB是VREF／16 384。
软件设计框图
开始
系统初始化
A/D转换器
采取磁场和 重力场数据
N 能否输出 Y 输出相应 信息给用户 结束 误差计算 航向姿态计算 数据滤波
系统误差分析及其补偿方法
电子罗盘是通过地球磁场来确定载体航向角， 因而不希望有其它磁场叠加到地磁场上，影响磁 场的 大小和方向，造成航向角误差。由于磁阻传 感器本身的构造和环境因素的影响，误差是不可 避免的。主要有磁阻传感器误差、加速度计误差、 A/D转换器的误差、温度的影响、近磁场的影响等。
近磁场影响
电子罗盘平台上的磁性材料及其附近运动的 磁性物体都会使电子罗盘周围地磁场发生变形从 而影响方位角测量的精度。这就被称为近磁材料 的影响。近磁材料的影响可分硬铁影响：来自电 子罗盘平台上永久磁铁和被磁化的铁 ( 钢 ) ；软铁 影响：来自地磁场和电子罗盘周围软磁材料的相 互作用。硬铁影可以通过实验结果进行计算可以 补偿消除。此外在使用时尽量使电子罗盘远离近 磁材料，这样可以降低外磁场对电子磁罗盘的影 响，比任何补偿都好。
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。
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；
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。
磁阻传感器误差
磁阻传感器的主要误差有噪声、线性度、迟 滞和重复性误差。为了减少磁阻传感器所引起的 误差，我们采用 HMC5883 三轴磁阻传感器，因为 HMC5883三轴磁阻传感器精度高（1－2度，内置12 位A/D,OFFSET, SET/RESET 电路),不会出现磁饱 和现象，不会有累加误差。
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,
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。
系统软件设计
系统软件除了完成初始化、 A ／ D 转换、数据 采集、方向角计算和数字量输出外，还要对由于 传感器失调、温度漂移以及硬铁和软铁干扰造成 的误差进行补偿。失调和温度漂移会在传感器敏 感信号上面叠加一个直流偏置，软件通过将传感 器在置位和复位情况下得到的信号求平均值，即 可得到由于失调和漂移造成的直流偏置信号，在 方向角计算前对该偏置信号进行补偿即可消除其 影响。原理框图如下所示。