數(shù)字式電子羅盤*

張秀再 ，張一波 ，杜 蒙 ，范江棋

（1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心，江蘇 南京 210044）

0 引言

數(shù)字式電子羅盤是利用地磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)指向功能的系統(tǒng)。電子羅盤與傳統(tǒng)的自主慣性導(dǎo)航設(shè)備相比，具有體積小、成本低、無(wú)累計(jì)誤差、能夠高精度指示真北方向等特點(diǎn)。電子羅盤與常規(guī)的指針型羅盤相比，具有一些突出的優(yōu)點(diǎn)，如抗沖擊性、抗震性，并且能夠?qū)﹄s散磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，輸出電信號(hào)，可與其他電子設(shè)備集成。系統(tǒng)所采用的磁電阻傳感器由坡莫合金制成，這種坡莫合金薄膜的電阻值隨外界磁場(chǎng)的變化而變化，傳感器具有明顯的靈敏軸,可作為集成電路生產(chǎn)，其體積小,響應(yīng)時(shí)間快[1]。因此，采用磁電阻傳感器的電子羅盤是磁電子羅盤的發(fā)展方向。

本文采用意法半導(dǎo)體（ST）公司的 MEMS數(shù)字集成芯片LSM303DLHC作為測(cè)量器件、(ulbox)NEO-6M GPS模塊為定位器件、MSP430F149為主控芯片，集成了太陽(yáng)能供電方式，實(shí)現(xiàn)了一種高精度、節(jié)能的數(shù)字式電子羅盤。

1 方向角計(jì)算模型

現(xiàn)實(shí)中，數(shù)字式電子羅盤并非始終處于水平面上，因此需要用LSM303DLHC中的三軸加速度傳感器測(cè)俯仰角和翻滾角，通過(guò)坐標(biāo)變換將磁傳感器測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度分量折算到水平方向，再計(jì)算方向角。

俯仰角和翻滾角的計(jì)算方法為[2]：加速度傳感器的三軸測(cè)量輸出值為重力加速度在載體坐標(biāo)系下的三軸分量。當(dāng)羅盤水平放置、載體坐標(biāo)系的初始姿態(tài)與參考坐標(biāo)系重合時(shí)，其三軸的測(cè)量輸出值為（測(cè)量值經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)歸一處理化）：

當(dāng)羅盤處于任意姿態(tài)時(shí)，其三軸測(cè)量輸出值為：

利用方向余弦矩陣：

另外，俯仰角、翻滾角分別為：

地磁場(chǎng)矢量H可分解為水平分量Hh和垂直分量Hv，Hh總是指向地磁北極。系統(tǒng)的三軸磁強(qiáng)傳感器的測(cè)量輸出為地磁場(chǎng)矢量在3個(gè)測(cè)量軸上的分量。當(dāng)羅盤水平放置時(shí)，三軸磁強(qiáng)傳感器的X軸測(cè)量輸出Hx、Y軸的測(cè)量輸出Hy為地磁場(chǎng)水平分量Hh在兩軸上的分解。則水平面時(shí)方向角Ψ為：

因?qū)嶋H使用時(shí)并不能保證羅盤一直保持水平，故不能使用式（7）計(jì)算方向角。設(shè)當(dāng)前羅盤的翻滾角為γ，俯仰角為θ，方向角為Ψ，三軸磁強(qiáng)傳感器的測(cè)量輸出M(γ，θ，Ψ)=[MxMyMz]T； 設(shè) 羅 盤 水 平 放 置 時(shí) 具 有 相 同 方 向角的三軸磁強(qiáng)傳感器測(cè)量輸出為 M(0，0，Ψ)=[MHxMHyMHz]T。根據(jù)羅盤實(shí)際姿態(tài)和水平面的關(guān)系，可得：

其中，Rγ、Rθ分別為翻滾角 γ 和俯仰角為 θ的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化矩陣：

將式(9)、式(10)代入式(8)可得：

將式（11）代入式（7）計(jì)算方向角；通過(guò)查表得到當(dāng)?shù)氐拇牌铅?，則真北方向角Ψo為：

2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，以MSP430F149為主控模塊，由連接太陽(yáng)能板的鋰蓄電池為電源模塊，以數(shù)字集成芯片LSM303DLHC為電子指南針模塊，以LCD12864液晶屏為顯示模塊，以NEO-6M GPS為定位模塊。

3 測(cè)量結(jié)構(gòu)裝置

系統(tǒng)測(cè)量裝置如圖2所示，裝置固定在裝置臺(tái)上，太陽(yáng)能模塊通過(guò)系統(tǒng)支架固定在裝置臺(tái)上，光伏板通過(guò)接收陽(yáng)光給鋰蓄電池充電，MSP430單片機(jī)接收電子指南針模塊的數(shù)據(jù)和定位模塊的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算后在LCD12864液晶屏上顯示。

圖2 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖

4 硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)主控芯片

MSP430是德州儀器公司的具有16位總線、帶Flash的單片機(jī)，其集成度高，可以在超低功耗模式下工作,可靠性好,加強(qiáng)電干擾運(yùn)行不受影響，適應(yīng)工業(yè)級(jí)的運(yùn)行環(huán)境。其采用16位的總線,外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址,尋址范圍可達(dá)64 KB，還可以外擴(kuò)展存儲(chǔ)器。此外，具有統(tǒng)一的中斷管理和豐富的片上外圍模塊[3]。

4.2 電子指南針模塊

電子指南針模塊采用了意法半導(dǎo)體(ST)公司的 MEMS數(shù)字集成芯片LSM303DLHC，該模塊內(nèi)集成了三軸加速度傳感器和三軸磁感應(yīng)傳感器，LSM303DLHC芯片線性加速度的測(cè)量范圍為 ±2 g～±16 g，磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量范圍從±3.1～±8 Gs，LSM303DLHC芯片上的磁感應(yīng)元件采用基于霍尼韋爾的各向異性磁阻技術(shù)，使得芯片在計(jì)算精度和功耗上具有很高的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)電子指南針模塊放置的位置發(fā)生變化時(shí)，因?yàn)榈卮艌?chǎng)的相對(duì)改變，使傳感器阻值發(fā)生變化，引起電流的變化。電子指南針模塊的信號(hào)輸出端SCL、SDA與單片機(jī) P6.1、P6.2端口相連，信號(hào)由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到此時(shí)的角度，并顯示到LCD12864液晶屏上。電子指南針模塊原理圖如圖3所示。

4.3 顯示模塊

顯示模塊采用12864液晶屏，該液晶屏功能齊全，操作簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。12864的液晶對(duì)比度調(diào)節(jié)可以通過(guò)電位器來(lái)調(diào)節(jié)，PSB是液晶數(shù)據(jù)傳輸模式選擇位，如果PSB接高電平則液晶工作在并行數(shù)據(jù)傳輸模式，如果PSB接低電平則液晶工作在串行數(shù)據(jù)模式。17腳是液晶的復(fù)位端，此端口直接與液晶供電(LCD)相連，上電后液晶模塊自動(dòng)完成復(fù)位功能。12864液晶屏原理圖如圖4所示。

圖3 LSM303DLHC電子指南針模塊原理圖

圖4 12864液晶屏原理圖

4.4 電源模塊

太陽(yáng)能板可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成為電能，有陽(yáng)光時(shí)，太陽(yáng)能板將轉(zhuǎn)換的電能一部分送給主控系統(tǒng)供電，另一部分存儲(chǔ)在鋰蓄電池中，保證了系統(tǒng)全天候地工作[4]。電源模塊供電示意圖如圖5所示。

圖5 電源模塊供電示意圖

4.5 定位模塊

ATK-NEO-6M GPS是一款高性能GPS定位模塊。該模塊采用U-BLOXNEO-6M模組，自帶高性能無(wú)源陶瓷天線和可充電后備電池。GPS TXD作為模塊串口發(fā)送腳與單片機(jī)的P3.6相連，用于GPS發(fā)送數(shù)據(jù)；GPS RXD模塊串口接收腳與單片機(jī)的P3.7相連，用于GPS接收數(shù)據(jù)。

RT9193-33是專為便攜式設(shè)備的射頻和無(wú)線應(yīng)用要求而設(shè)計(jì)的，具有高精度、低噪音、高速度等特點(diǎn)，兼容低ESR電容，采用CMOS工藝生產(chǎn)的低壓差LDO電壓調(diào)整器，其內(nèi)部包括參考電壓源電路、誤差放大器電路、過(guò)流保護(hù)電路和相位補(bǔ)償電路。

定位模塊通過(guò)串口與外部系統(tǒng)連接，串口波特率支持 4 800 b/s、9 600 b/s、38 400 b/s(默認(rèn))、57 600 b/s 等不同速率，兼容5 V/3.3 V單片機(jī)系統(tǒng)。ATK-NEO-6M GPS模塊電路圖如圖6所示。

圖6 ATK-NEO-6M GPS模塊原理圖

5 電子指南針模塊數(shù)據(jù)校正

由于系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到各種磁場(chǎng)的干擾，所以要對(duì)磁場(chǎng)傳感器測(cè)量輸出進(jìn)行誤差補(bǔ)償。設(shè)羅盤在水平放置時(shí)的磁強(qiáng)傳感器 x、y軸的實(shí)際輸出為(Hbx、Hby)，理想狀態(tài)下磁場(chǎng)水平向量在電子羅盤載體坐標(biāo)系x、y方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度為(Hx、Hy)，則可建立誤差補(bǔ)償模型[2]：

對(duì)角矩陣使圓變成橢圓，Kx、Ky分別表示橢圓長(zhǎng)短半軸的變化程度；B、By表示橢圓圓心偏離原點(diǎn)的偏移量。誤差補(bǔ)償系數(shù)的求解采用最小二乘橢圓擬合[5]，根據(jù)實(shí)際測(cè)量輸出擬合求解橢圓方程的參數(shù)，并進(jìn)一步解得誤差補(bǔ)償系數(shù)，平面任意位置橢圓方程式表示為：

在磁場(chǎng)干擾影響下，水平面內(nèi)x、y方向的輸出曲線為橢圓曲線，利用電子羅盤在x、y方向的 M(M≥5)個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量輸出數(shù)據(jù)(Hxi、Hyi)(i=1，2，3…M)擬合橢圓方程。根據(jù)所有測(cè)量點(diǎn)到理想橢圓的距離的平方和最小準(zhǔn)則來(lái)確定橢圓方程系數(shù) Ki(i=1，2，3，4，5)[6]以及確定橢圓的離心角η，由橢圓方程系數(shù)得到誤差補(bǔ)償系數(shù)：

通過(guò) K1，K2…K5以及 Kx和 Ky的確定，利用式(12)～(16)可得出誤差補(bǔ)償后的輸出 Hbx、Hby，從而計(jì)算出方向角。

6 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)用MSP430F149單片機(jī)[3，7]作為核心控制部分，通過(guò)系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)具體功能，程序流程圖如圖7所示。程序首先初始化MSP430F149單片機(jī)，然后進(jìn)行方位角的實(shí)時(shí)采集與顯示。

圖7 程序流程圖

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)軟硬件的調(diào)試及實(shí)驗(yàn)，采用某型號(hào)手機(jī)上的電子羅盤顯示值作為參考方位角與該系統(tǒng)測(cè)試的方位角進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

8 結(jié)論

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了方位角的實(shí)時(shí)測(cè)量與顯示，能夠比較準(zhǔn)確地測(cè)量所在位置的方位角，顯示出角度值。該系統(tǒng)輕巧便攜，適合于船舶導(dǎo)航、野外科研考察等。數(shù)字式電子羅盤的應(yīng)用可以節(jié)省一定的人力及財(cái)力資源，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保，性能穩(wěn)定，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 （單位：°）

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