淺談電子指南針設計應用

馮延濤

（長江大學電子信息學院 434000）

淺談電子指南針設計應用

馮延濤

（長江大學電子信息學院 434000）

指南針起源于我國古代四大發(fā)明之一的“司南”，發(fā)展到現代的機械指針式指南針，是非常重要的導航工具。隨著電子科技技術的發(fā)展，電子指南針的研發(fā)讓指南針在便攜性、靈敏度、精度以及使用壽命上都有一定的提高。本文重點討論了電子指南針的功能特點、系統(tǒng)設計原理和實際應用。

電子指南針；設計；應用

前言

電子指南針相較于機械指針式指南針，有很明顯的性能優(yōu)勢，原因是電子指南針內部結構非常固定，磁傳感器和專用芯片的應用讓電子指南針擁有電子科技產品特有的高精度和高穩(wěn)定性的特點，與此同時，新型只能電子指南針增加了抗干擾和信號數據處理功能，進一步地擴大了指南針的應用范圍。

1 電子指南針的種類和原理總結

電子指南針是電子信息科學技術的產物，其誕生到發(fā)展過程中也出現了不同的系統(tǒng)硬件配置，主要體現在傳感器的選擇上。在這里我們主要例舉三種：①利用兩軸磁傳感器HMC1052，HMC1052是一個雙軸線性磁傳感器，和其它HMC10XX系列傳感器一樣，每個傳感器都有一個由磁阻薄膜合金組成的惠斯通橋，當橋路加上供電電壓，傳感器將磁場強度轉化為電壓輸出，包括環(huán)境磁場和測量磁場，HMC1052包含兩個敏感元件，它們的敏感軸互相垂直。敏感元件A和B，共存于單硅芯片中，完全正交，且參數匹配。HMC1052的尺寸小，低工作電壓，而且消除了兩個敏感元件引起的非正誤差。除了惠斯通電橋，HMC1052有兩個位于芯片上的磁耦合帶，偏置帶和置位/復位帶。敏感元件A和B，都有這兩個帶，置位/復位帶，用于確保精度。偏置帶，用于校正傳感器，或偏置任何不想要的磁場，在標準的10針外形（MSOP）中，兩個敏感元件可以獨立上電，用于減少功耗；②采用Philips公司生產的KMZ52感應磁場傳感器，KMZ52是Philips公司生產的一種磁阻傳感器，是利用坡莫合金薄片的磁阻效應測量磁場的高靈敏度磁阻傳感器。該磁阻傳感器內置兩個正交磁敏電阻橋、完整的補償線圈和設置/復位線圈。補償線圈的輸出與當前測量結果形成閉環(huán)反饋，使傳感器的靈敏度不受地域限制。這種磁阻傳感器主要應用于導航、通用地磁測量和交通檢測。該磁阻傳感器在金屬鋁的表面沉積了一定厚度的高磁導率的坡莫合金，在翻轉線圈和外界磁場兩個力的作用下，電子改變運動方向，使得磁敏電阻的阻值發(fā)生變化。同時KMZ52的斑馬條電阻成45°放置，這使得電子在正反向磁場力作用下有較好的對稱性。由于加入了翻轉磁場，KMZ52的變化曲線與普通的磁敏電阻不同，更加線性化。KMZ52磁阻傳感器的核心部分是惠斯通電橋，是由4個磁敏感元件組成的磁阻橋臂。磁敏感元件由長而薄的坡莫合金薄膜制成。在外加磁場的作用下，磁阻的變化引起輸出電壓的變化；③使用霍尼韋爾HMC5883L各向異性磁阻傳感電路，霍尼韋爾HMC5883L是一種表面貼裝的高集成模塊，并帶有數字接口的弱磁傳感器芯片，應用于低成本羅盤和磁場檢測領域。HMC5883L是采用無鉛表面封裝技術，帶有16引腳，尺寸為3.0m×3.0m×0.9mm。HMC5883L的所應用領域有手機、筆記本電腦、消費類電子、汽車導航系統(tǒng)和個人導航系統(tǒng)。HMC5883L采用霍尼韋爾各向異性磁阻（AMR）技術，該技術領先于其他磁傳感器技術。這些各向異性傳感器具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點.傳感器具有的對正交軸的低靈敏度的固相結構能用于測量地球磁場的方向和大小，其測量范圍從毫高斯到8高斯。霍尼韋爾的磁傳感器在低磁場傳感器行業(yè)中是靈敏度最高和可靠性最好的傳感器。

2 電子指南針的模塊化設計與應用探索

電子指南針產品從研發(fā)到成型，是需要模塊化程序設計以控制其功能表達的。要使得電子指南針能夠正常工作，其單片機、時鐘電路和復位電路是必須完整的。單片機的選擇，很多設計者采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機，宏晶科技生產的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250K/S），針對電機控制，強干擾場合。一般時鐘電路是采用單片機內部工作時產生的時鐘信號，另外接一個石英晶體振蕩器和微調電容來實現的，二者構成穩(wěn)定的的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內部的時鐘電路。復位電路一般采用的是按鍵復位模式，利用計算機程序設計，人工通過按鍵發(fā)號指令。

其次是需要串口電路與PC連接，以及一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊用于人工讀取，這樣就能在系統(tǒng)設計上體現出電子顯示、信息處理和人工操作的完整性。在電子系統(tǒng)設計完畢后，人機界面和產品外觀的設計就是下一階段的內容了，不同的研發(fā)團隊和公司在產品理念上也有所不同，所以人機交互和產品外觀主要是電子科技產品設計的商業(yè)創(chuàng)新階段，主流設計公司都在追求產品功能簡約化的風格，以增強用戶體驗。

國內外現階段研究電子指南針的主要應用是提供地磁導航功能，相對于其他導航手段而言，地磁導航起步得比較晚。美國目前已開發(fā)出地面和空中定位精度優(yōu)30m水下定位精度優(yōu)于500m的地磁導航系統(tǒng)，并計劃用于提高飛航導彈和巡航魚雷的命中率。國內有關地磁導航的研究還主要集中在仿真和預研階段，航天科工集團三院的李素敏等人運用平均絕對差法對地面所測量的地磁強度數據進行了匹配運算，分辨率能達到50m；西北工業(yè)大學的晏登洋等人利用地磁導航校正慣性導航的仿真實驗取得了較高的精度。另外，地磁場模型與地磁圖是研究電子式指南針制導技術的基礎，地磁場建模和地磁圖的精確程度是決定地磁導航技術是否可行的關鍵因素。

3 結語

電子指南針體現了電子信息技術服務于生活實際的潛在價值，在未來軍事、航空航天、地理勘探和醫(yī)藥衛(wèi)生領域，電子指南針高精度的特點將會發(fā)揮重要的作用。

[1]郭檢柟.基于磁阻芯片和MSP430單片機的電子羅盤設計[J].信息與電子工程，2010（01）.

[2]武建軍，封維忠，于瑋.基于MEMS三維磁阻傳感器的電子指南針的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011（08）.

[3]郭檢柟.基于磁阻芯片和MSP430單片機的電子羅盤設計[J].信息與電子工程，2010（01）.

TP212.1

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1004-7344（2016）06-0299-01

2016-2-10