基于HMC1022磁阻传感器的数字电子罗盘的设计与实现
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1 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[2] 。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。
Xoff= [ ( X 最大- X 最小) / 2- X 最大] @ X sf ( 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
王丽颖 等: 基于 H M C1022 磁阻传感器的数字电子罗盘的设计与实现
图 4 HM C1022 传感器
航向角 H = 90- arctan( X / Y ) @ 180/ P( Y> 0) = 270- arctan( X / Y) @ 180/ P( Y< 0) = 180( Y= 0, X < 0) =
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图 6 复位置位电路
# 109 #
第 32 卷
电子测量技术
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。
H M C1022 的引脚图如图 4 所示。H M 1022 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[ 4] 。
0( Y= 0, X > 0)
( 1)
图 5 传感器输出在平面的映射
第1期
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。
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。 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 MH z时性能高达 16 M IPS, 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 IEEE 1149. 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。
该偏置项包括传感器电桥和接口电子器件的偏移, 以
# 110 #
X 值= X sf @ X 读数+ X of f ( 2) Y 值= Ysf @ Y 读数+ Yof f 这里的定标因数 X sf 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
Abstract: T he digital Electr onic compass based on g eomag net ism measur ement has the char act eristics w it h ver y small size, low pow er consumptio n and start ing up quickly . 16- bit A / D conver ter converses directly the differ ential sig nal, w hich fro m t he tw o- ax is of senso r output s, so it make the co mplex o per ational amplifier s in the circuit easy. M or eover , t he SET / RESET function of HM C1021can eliminate efficiently o ffset and t em perat ur e effect intr oduced by the electronics as well as the bridge temperatur e dr ift. Accuracy is up to 1b. Keywords: geo magnetism; elect ronic compass; magneto resistance senso rs; m icroco ntr oller
Design and realization of digital electronic compass based on magnetoresistance sensors
W ang L iy ing Zhi W ei Sun H ong xia Z hang Wei ( S chool of M echanical Engineerin g, Dalian Ji aot ong U niver sit y, Dalian 116028)
3 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 1b。
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 2 ) $( 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[ 6] 。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 H MC1002 是借助一个偏置磁场以补偿干扰磁场, 即通过
嵌入式技术
电子测量技术 EL ECT RO NIC M EA SU REM EN T T ECHN O LO GY
第 32 卷 第 1 期 2009 年 1 月
基于 HMC1022 磁阻传感器的数字 电子罗盘的设计与实现
王丽颖 支 炜 孙红霞 张 伟
( 大连交通大学机械工程学院 大连 116028)
图 1 硬件框图
王丽颖 等: 基于 H M C1022 磁阻传感器的数字电子罗盘的设计与实现
第1期
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[3] , 如图 2 所示。HM C1022 是 H oneyw ell 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。
# 108 #
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。
摘 要 : 基于地磁测量原理设计的数字式电子罗盘由微控制器实现角度换算与输出, 具有体积小、启动快、功耗低、成本 低等优点。磁阻传感器两轴输出的差分信号转换均由 16 位 A/ D 直接完成, 省去电路中复 杂的运算放大器部 分。利用 磁阻芯片独特的置位复位功能, 有效地消除因温度漂移和电路参数漂移等共模信号造成的误差, 精度可以精确到 1b。 关键词 : 地磁场 ; 电子罗盘; 磁阻传感器; 微控制器 中图分 类号: T P212 文献标识码: A
0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[ 1] , 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。
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 m V[5] 。当地磁场强度达最大值时( 0. 6Gauss) , 其电压输 出的范围为
2 系统软件设计
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 X sf 和 Ysf , 来将椭圆改为圆[ 8] 。于是可计算偏移值 X of f 和 Yof f , 将圆中心定在( 0, 0) 原点, 用公式( 2) 来计 算 Y , X 值。
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)
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[2] 。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。
Xoff= [ ( X 最大- X 最小) / 2- X 最大] @ X sf ( 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
王丽颖 等: 基于 H M C1022 磁阻传感器的数字电子罗盘的设计与实现
图 4 HM C1022 传感器
航向角 H = 90- arctan( X / Y ) @ 180/ P( Y> 0) = 270- arctan( X / Y) @ 180/ P( Y< 0) = 180( Y= 0, X < 0) =
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图 6 复位置位电路
# 109 #
第 32 卷
电子测量技术
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。
H M C1022 的引脚图如图 4 所示。H M 1022 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[ 4] 。
0( Y= 0, X > 0)
( 1)
图 5 传感器输出在平面的映射
第1期
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。
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。 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 MH z时性能高达 16 M IPS, 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 IEEE 1149. 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。
该偏置项包括传感器电桥和接口电子器件的偏移, 以
# 110 #
X 值= X sf @ X 读数+ X of f ( 2) Y 值= Ysf @ Y 读数+ Yof f 这里的定标因数 X sf 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
Abstract: T he digital Electr onic compass based on g eomag net ism measur ement has the char act eristics w it h ver y small size, low pow er consumptio n and start ing up quickly . 16- bit A / D conver ter converses directly the differ ential sig nal, w hich fro m t he tw o- ax is of senso r output s, so it make the co mplex o per ational amplifier s in the circuit easy. M or eover , t he SET / RESET function of HM C1021can eliminate efficiently o ffset and t em perat ur e effect intr oduced by the electronics as well as the bridge temperatur e dr ift. Accuracy is up to 1b. Keywords: geo magnetism; elect ronic compass; magneto resistance senso rs; m icroco ntr oller
Design and realization of digital electronic compass based on magnetoresistance sensors
W ang L iy ing Zhi W ei Sun H ong xia Z hang Wei ( S chool of M echanical Engineerin g, Dalian Ji aot ong U niver sit y, Dalian 116028)
3 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 1b。
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 2 ) $( 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[ 6] 。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 H MC1002 是借助一个偏置磁场以补偿干扰磁场, 即通过
嵌入式技术
电子测量技术 EL ECT RO NIC M EA SU REM EN T T ECHN O LO GY
第 32 卷 第 1 期 2009 年 1 月
基于 HMC1022 磁阻传感器的数字 电子罗盘的设计与实现
王丽颖 支 炜 孙红霞 张 伟
( 大连交通大学机械工程学院 大连 116028)
图 1 硬件框图
王丽颖 等: 基于 H M C1022 磁阻传感器的数字电子罗盘的设计与实现
第1期
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[3] , 如图 2 所示。HM C1022 是 H oneyw ell 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。
# 108 #
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。
摘 要 : 基于地磁测量原理设计的数字式电子罗盘由微控制器实现角度换算与输出, 具有体积小、启动快、功耗低、成本 低等优点。磁阻传感器两轴输出的差分信号转换均由 16 位 A/ D 直接完成, 省去电路中复 杂的运算放大器部 分。利用 磁阻芯片独特的置位复位功能, 有效地消除因温度漂移和电路参数漂移等共模信号造成的误差, 精度可以精确到 1b。 关键词 : 地磁场 ; 电子罗盘; 磁阻传感器; 微控制器 中图分 类号: T P212 文献标识码: A
0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[ 1] , 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。
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 m V[5] 。当地磁场强度达最大值时( 0. 6Gauss) , 其电压输 出的范围为
2 系统软件设计
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 X sf 和 Ysf , 来将椭圆改为圆[ 8] 。于是可计算偏移值 X of f 和 Yof f , 将圆中心定在( 0, 0) 原点, 用公式( 2) 来计 算 Y , X 值。
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
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