基于GMR傳感器的三軸電子羅盤*

林乾浩，錢正洪*，龔天平，白 茹，詹宏良，孟慶豐 ，孫宇澄 ，3，楊昌茂

（1.杭州電子科技大學(xué) 磁電子中心，浙江 杭州 310018；2.東方微磁科技有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443003；3.四川大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610064）

0 引 言

電子羅盤是一種新型的重量輕、體積小、穩(wěn)定性高、可靠性好的姿態(tài)檢測模塊，廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、車輛導(dǎo)航、智能終端設(shè)備等領(lǐng)域[1]。近年來，智能手機(jī)、平板電腦和游戲機(jī)等消費(fèi)電子設(shè)備的導(dǎo)航功能已經(jīng)使電子羅盤變成標(biāo)準(zhǔn)配置[2]，從而對電子羅盤的市場需求也不斷增加。

目前應(yīng)用最多的測量地磁場的傳感器主要有3種：磁通門傳感器、霍爾傳感器、AMR傳感器。磁通門傳感器磁場分辨力高、受鐵磁物體干擾小，但它們體積大、頻響特性差。霍爾傳感器量程大但靈敏度低、溫度性能差。AMR傳感器是目前在電子羅盤中應(yīng)用最多的一類傳感器，但其需要置位/復(fù)位電路來消除磁滯，從而使后端處理電路變得復(fù)雜。GMR傳感器屬于一類新型的傳感器，與AMR傳感器相比，具有體積小、靈敏度高、線性度好、磁場分辨率高、接口電路簡單等諸多優(yōu)點，更適合于電子羅盤的應(yīng)用，代表了未來電子羅盤的發(fā)展方向[3]。

本研究提出一種基于GMR傳感器的電子羅盤測量系統(tǒng)，采用一個兩軸的GMR傳感器和單軸的GMR傳感器測量磁場矢量，結(jié)合三軸加速度傳感器測定航向角、俯仰角和橫滾角。針對傳感器的制造誤差和環(huán)境中存在的磁場干擾，提出一種帶有自動校準(zhǔn)功能和磁場補(bǔ)償?shù)男?zhǔn)方法，能夠有效地提高電子羅盤的測量精度。

1 三軸電子羅盤的硬件設(shè)計

巨磁阻電子羅盤總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括傳感器及信號調(diào)理電路部分和微控制器及外圍電路部分[4]。系統(tǒng)首先采集三軸GMR傳感器和三軸加速度傳感器的信號，由于GMR傳感器輸出的信號在幾個毫伏左右，本研究需要通過信號調(diào)理電路進(jìn)行信號的放大濾波，并與加速度傳感器得到的經(jīng)過濾波后的信號一起送到微控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將處理后的數(shù)字信號進(jìn)行軟件數(shù)字濾波、航向和姿態(tài)解算、誤差補(bǔ)償校準(zhǔn)處理，最終通過串口實時輸出穩(wěn)定的姿態(tài)角。

圖1 三軸電子羅盤的設(shè)計框圖

1.1 傳感器及信號調(diào)理電路

本研究設(shè)計的電子羅盤選用的是東方微磁科技有限公司生產(chǎn)的高靈敏度雙軸SAS022-1和單軸VA100F3巨磁阻自旋閥傳感器，來組合成三軸GMR傳感器。

GMR傳感器輸出曲線如圖2所示。

圖2 GMR傳感器典型響應(yīng)曲線

使用GMR傳感器時數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計非常簡單，不需要像AMR傳感器一樣帶有置位/復(fù)位電路，并且具有很高的靈敏度、線性度和磁場分辨率，該傳感器線性測量范圍在±3 Gauss，靈敏度為4.1 mV/V/Oe[5]，而AMR傳感器的靈敏度一般只在1 mV/V/Oe左右，所以通過選用該GMR芯片可以保證羅盤的分辨率和精度。

三軸加速度傳感器采用的是ST公司的LIS332AR。該傳感器尺寸小、功耗低，并可提供模擬電壓輸出，每個軸的電壓在0.9 V～2.1 V之間變化，測量范圍是±2 g，可直接接入單片機(jī)的A/D接口進(jìn)行模數(shù)處理。

由于GMR傳感器在地磁場影響下只產(chǎn)生毫伏級的差分電壓，本研究選擇ADI公司的OP2177運(yùn)算放大器進(jìn)行差分信號放大，單個GMR傳感器的調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 單個GMR傳感器的信號調(diào)理電路

GMR傳感器實測電阻為2.46 kΩ，電路中反饋電阻為300 kΩ，所以該電路放大倍數(shù)為115倍。同時筆者給放大器增加1.5 V的參考電壓，使最終輸出結(jié)果在0～2.5 V以內(nèi)。最后，將GMR傳感器放大后的信號與加速度傳感器產(chǎn)生的信號一起經(jīng)過RC低通濾波電路濾波并送到微控制器的6路A/D口。

1.2 微控制器及外圍電路部分

本研究選用MSP430F2618TPM芯片作為微控制器，單片機(jī)及外圍電路圖如圖4所示。

圖4 單片機(jī)及外圍電路圖

該單片機(jī)具有強(qiáng)大的處理能力、超低功耗、高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊，集成了12位ADC、UART、SPI和JTAG等片內(nèi)外設(shè)，擁有116 KB的Flash程序存儲器，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲。單片機(jī)主要工作是將傳感器采集到的模擬信號進(jìn)行A/D處理，并將處理后的數(shù)字信號進(jìn)行軟件數(shù)字濾波、姿態(tài)解算和誤差補(bǔ)償校準(zhǔn)，最終通過串口把解算出來的姿態(tài)信息傳輸?shù)诫娔X上。其中，硬件電路中時鐘晶振采用8 M無源晶振；J3是單片機(jī)的JTAG接口，能夠進(jìn)行電路硬件仿真和程序下載；MSP430單片機(jī)的Vref+管腳能夠產(chǎn)生1.5 V的穩(wěn)定電壓供運(yùn)算放大器作為參考電壓使用；本研究在串口輸出信號部分增加了TTL電平輸出電路。

2 磁羅盤測量的基本原理

地球本身存在地磁場，磁場強(qiáng)度在0.5 Gauss左右，其方向總是指向磁北，GMR傳感器正是利用地磁場的這一特性來確定載體運(yùn)動過程中的任一姿態(tài)的磁場分量，載體在三維空間中，運(yùn)動時載體坐標(biāo)系時刻在發(fā)生變化，與地理坐標(biāo)系不重合。由于電子羅盤與載體是同步運(yùn)動的，相對于地理坐標(biāo)系也是在不斷變化的。本研究把羅盤相對于地理坐標(biāo)系XYZ3個軸方向上繞順時針轉(zhuǎn)動的角度分別定義為橫滾角γ、俯仰角θ和航向角φ，坐標(biāo)示意圖如圖5所示[6]。

圖5 三軸電子羅盤坐標(biāo)示意圖

在應(yīng)用中GMR傳感器測量到的磁場矢量值在載體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(Hx,Hy,Hz)。本研究利用方向余弦法，結(jié)合轉(zhuǎn)動過程中的俯仰角θ和橫滾角γ，可將載體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系中[7]，其坐標(biāo)(X,Y,Z)可表達(dá)為：

由式（1）得出：

進(jìn)而可求出航向角：

其中，俯仰角θ和橫滾角γ可以通過加速度計3個軸檢測到的分量(gx,gy,gz)解算出來。

俯仰角：

橫滾角：

由于傳感器制造過程中存在誤差，3個GMR傳感器存在零場偏置和靈敏度差異，此外，工作環(huán)境中存在一些磁場干擾，也會影響GMR傳感器的測量值。由于存在的這些誤差不可避免，本研究必須對電子羅盤進(jìn)行校正補(bǔ)償[8-9]。

校準(zhǔn)方法為：將電子羅盤水平放置旋轉(zhuǎn)一周，采集GMR傳感器X軸和Y軸測量結(jié)果的最大值和最小值，記為(Xmax,Xmin,Ymax,Ymin)，并將羅盤垂直旋轉(zhuǎn)90°放置，再水平旋轉(zhuǎn)一周，采集GMR傳感器Z軸測量結(jié)果的最大值和最小值，記為(Zmax,Zmin)。

巨磁阻的在零場偏置和磁場干擾影響下的偏移值(Xoff,Yoff,Zoff)為：

巨磁阻傳感器的每個軸靈敏度值(Kx,Ky,Kz)為：

經(jīng)過校正補(bǔ)償，設(shè)經(jīng)過校準(zhǔn)的磁阻傳感器3個軸的分量為(Hx1,Hy1,Hz1)，則:

3 三軸電子羅盤的軟件設(shè)計

該系統(tǒng)設(shè)計的電子羅盤的工作模式分為正常模式和校準(zhǔn)模式[10-13]。當(dāng)電子羅盤上電后，系統(tǒng)默認(rèn)進(jìn)入正常模式，如果在正常工作模式下，接收到串口發(fā)送的校準(zhǔn)命令，則執(zhí)行相應(yīng)的校準(zhǔn)程序。

系統(tǒng)在正常工作模式下的程序設(shè)計流程為：系統(tǒng)初始化；從Flash中讀取巨磁阻傳感器的每個軸的中點電壓值(Xoff,Yoff,Zoff)，每個軸的靈敏度(Kx,Ky,Kz)，加速度傳感器每個軸水平參考值(Gxoff,Gyoff,Gzoff)；接著采集傳感的原始數(shù)據(jù)，并對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件數(shù)字濾波處理；然后進(jìn)行航向和姿態(tài)解算，并按照一定的數(shù)據(jù)格式將航向角、俯仰角、橫滾角和傳感器原始數(shù)據(jù)輸出到電腦上。

其程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

當(dāng)MCU收到用戶發(fā)送的GMR傳感器校準(zhǔn)命令時，程序進(jìn)入GMR傳感器校準(zhǔn)流程；電子羅盤采集GMR傳感器每個軸的最大值和最小值，完成工作后，計算GMR傳感器相關(guān)的參數(shù)并保存到Flash；當(dāng)MCU收到用戶發(fā)送的加速度傳感器校準(zhǔn)命令時，程序進(jìn)入加速度傳感器校準(zhǔn)流程，電子羅盤采集當(dāng)前平面穩(wěn)定的加速度數(shù)據(jù)，設(shè)為水平參考值，并將相關(guān)參數(shù)保存到Flash；校準(zhǔn)完畢后中斷返回，羅盤正常工作。

4 實驗結(jié)果分析

電子羅盤經(jīng)過國家弱磁一級計量站進(jìn)行實驗測量，實驗調(diào)試裝備如圖7所示（該測試環(huán)境外界磁場干擾很小）。

圖7 實驗調(diào)試設(shè)備

本研究首先將羅盤置于夾具上并放置在標(biāo)準(zhǔn)無磁轉(zhuǎn)臺上進(jìn)行校準(zhǔn)，并在轉(zhuǎn)臺上以水平和30°傾斜兩種狀態(tài)分別每隔30°輸出一次數(shù)據(jù)，通過對比標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺上的刻度與串口輸出結(jié)果，可以分析羅盤的具體誤差。為了驗證算法對磁干擾的補(bǔ)償是否有效，本研究還加上一組帶有鐵磁性物質(zhì)固定干擾源與電子羅盤一起校準(zhǔn)的對比實驗。

校準(zhǔn)后航向角誤差如圖8、圖9所示，電子羅盤水平精度在±1°以內(nèi)，30°傾斜后精度在±1.5°以內(nèi)，分辨率為0.1°，羅盤可在0°～360°范圍內(nèi)測量。并且在加上一組帶有鐵磁性物質(zhì)的固定干擾源進(jìn)行校準(zhǔn)后，羅盤精度也保持在原先的精度水平，證明了本研究設(shè)計的校準(zhǔn)算法能夠很好地對磁場干擾進(jìn)行補(bǔ)償。

圖8 無干擾源電子羅盤誤差曲線

圖9 有干擾源校準(zhǔn)后電子羅盤誤差曲線

5 結(jié)束語

目前，市面上基于新型的GMR傳感器進(jìn)行研制的電子羅盤未見報道，本研究設(shè)計的電子羅盤硬件電路簡單、體積小、功耗低，具有自動校準(zhǔn)與磁場補(bǔ)償算法功能。經(jīng)實驗驗證，通過校準(zhǔn)后該羅盤水平航向精度達(dá)到±1°，30°傾斜后精度達(dá)到±1.5°，羅盤分辨率為0.1°。

研究結(jié)果表明，本研究設(shè)計的電子羅盤能夠有效地補(bǔ)償磁場干擾，具有較高的測量精度，所研制的三軸電子羅盤在手機(jī)、車載、船舶等導(dǎo)航系統(tǒng)具有潛在應(yīng)用價值。

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