用磁場傳感器KMZ52設計的電子指南針

用磁場傳感器KMZ52設計的電子指南針

　　摘要：介紹了目前用于定位系統中的電子指南針的工作原理，詳細論述了磁場傳感器芯片KMZ52的工作原理，給出了用KMZ52磁場傳感器設計電子指南針的總體設計方案和電路，同時給出了設計中的一些特殊處理方法。
　　關鍵詞：電子指南針；磁場傳感器；KMZ52
　　
　　１概述
　　
　　指南針是一種重要的導航工具，可應用在多種場合中。電子指南針內部結構固定，沒有移動部分，可以簡單地和其它電子系統接口，因此可代替舊的磁指南針。并以精度高、穩定性好等特點得到了廣泛運用。
　　
　　Ｐｈｉｌｉｐｓ公司生產的半導體器件ＫＭＺ５２是一種專門用于電子指南針的二維磁場傳感器。它采用磁場傳感器的磁阻（ＭＲ）技術，并用翻轉技術消除信號偏移，而用電磁反饋技術來消除溫度的敏感漂移。由于外界存在干擾，該系統集成了幾種特殊的抗干擾技術來提高系統精度。
　　
　　本文介紹了電子指南針的工作原理及電路設計，同時給出了其抗干擾設計以及信號和數據的處理方法。
　　
　　２工作原理與總體方案
　　
　　圖１是ＫＭＺ５２的內部結構框圖和引腳排列。圖中，Ｚ１和Ｚ４為翻轉線圈，Ｚ２和Ｚ３為補償線圈。由于環境溫度可能會影響系統精度，因此，在高精度系統中，可以通過補償線圈對其進行補償。ＫＭＺ５２內部有兩個正交的磁場傳感器?分別對應二維平面的Ｘ軸和Ｙ軸。磁場傳感器的原理是利用磁阻（ＭＲ）組成磁式結構，這樣可改變電磁物質在外部磁場中的電阻系數。以便在磁場傳感器的翻轉線圈Ｚ１和Ｚ２上加載翻轉電信號后使之能夠產生變化的磁場。由于該變化磁場會造成磁阻變化（ΔＲ）０并將其轉化成變化的差動電壓輸出，這樣，就能根據磁場大小正比于輸出差動電壓的原理，分別讀取對應的兩軸信號，然后再進行處理計算即可得到偏轉角度。
　　
　　整個電子指南針系統主要由傳感器單元、信號調整單元（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計框圖如圖２所示。圖中，磁場傳感器ＫＭＺ５２用于將地磁場信號轉化成電信號輸出，信號調整單元用于將磁場傳感器單元中的輸出信號成比例放大，并將其轉換成合適的信號ｈｅｘ和ｈｅｙ，同時消除信號的偏移。對于保證系統的精度來說，ＳＣＵ是最重要的部件。通過ＤＤＵ可將信號調整單元輸出的兩路信號ｈｅｘ和ｈｅｙ進行放大，然后再按下式計算出偏轉角度α：
　　
　　α＝ａｒｃｔａｎ?ｈｅｙ／ｈｅｘ?
　　
　　這樣根據抗干擾技術算法對α進行處理就可得出該磁場的偏轉角度，最后通過顯示單元進行輸出。
　　
　　３硬件設計
　　
　　該電子指南針系統的電路設計如圖３所示。由于ＫＭＺ５２內部橋式結構的磁阻輸出是差動電壓，通過運算放大器可以成比例放大，因此，在測量地磁場信號時，為了將兩個磁場傳感器信號放大同樣的倍數，可以將二者的翻轉線圈串聯，并對差動電壓選用同樣的運放結構。翻轉信號從①口輸入，Ｘ、Ｙ軸差動電壓信號則分別從②、③口輸出。然后通過處理系統對傳來的信號進行Ａ／Ｄ采樣、數值處理和校正后，即可得到所求的角度。
　　
　　４數值處理
　　
　　由于ＫＭＺ５２的輸出信號很微弱，故信號干擾較大。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；而在輸出幅值時則近似保持恒值。兩路信號幅值與角度的關系如圖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值變化較小的角度范圍內，使幅值保持基本不變；而在幅值較小且數值變化較大的角度范圍內，用一個函數改變其幅值變化曲線。具體實現時，可按照一定角度對曲線進行分段，并對各段用一次函數ｙ＝ａｘ＋ｂ去擬合。這樣，就可以使幅值變化曲線接近ｔａｎα。角度劃分越細，精度越高。磁場傳感器ＫＭＺ５２的精度為３°，若按１５°劃分，可將精度提高到１°。若按５°對其劃分，精度可高達０．３°。如劃分更細，精度還可進一步提高。若采用高階函數去擬合，也可以提高精度。實際上，在精度要求不高的情況下，通常以１５°劃分就可以達到要求。
　　
　　
　　
　　
　　５干擾校正
　　
　　有時候，某些外來磁場疊加會產生一個恒定磁場，這個磁場對系統指示將造成影響。故可采用如下方法對其進行校正：
　　
　　讓整個系統在水平面上旋轉一周，干涉磁場與地球磁場疊加會有一個最大值Ｖｍａｘ和一個最小值Ｖｍｉｎ，記錄下這兩個值和達到最大值（或最小值）的角度φ，再經過校正，即可消除磁場的影響。現以圖５所示的干擾校正方案為例來加以說明。
　　
　　設地球磁場的大小為Ｖｅａｒ，干擾磁場的大小為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的影響。
　　
　　６結束語
　　
　　本電子指南針采用特殊的數據處理方法提高了系統的精度。由于系統采用了抗干擾技術，因而減小了其它因素所造成的影響，使系統精度進一步得到提高。此外，該系統本身可測量２維磁場，故可以很方便地與另一個１維磁場傳感器（ＫＭＺ５１）組成３維測量系統，以消除傾斜現象。由于本系統可以采用各種處理平臺來實現，因此具有良好的可移植性，可廣泛用于定位系統，而且可靠性好，精度很高。
　　
　　
　　
　　

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