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1、目录引言2第一章系统硬件设计21. 1地磁场导航原理21. 2系统构成21. 3磁阻传感器31.4信号转换电路设计51.5传感器复位置位电路设计61. 6微控制器的选择6第二章系统软件设计72. 1复位置位程序设计72. 2干扰的校正82. 3程序主流程9结束语10参考文献错误！未定义书签。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，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（M
2、R）型罗盘就是最佳选择。第一章系统硬件设计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。地磁场强度约为0. 50. 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。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
3、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。1. 3图1硬件框图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，如图2所示。HMC1022是 Honeywell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
4、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。电流金属接It点泱他合金带 (NiFc)磁场图2磁阻传感器的丁作原理HMC1022的引脚图如图4所示。HM1022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。OFFSET-(A)OUT+(A)VBRIDGE(A)OUT-(A)OVT-(B) VBRIDGE(B)GND(A)S/R+(B)OFFSETA)S/R-(A)S/R+(A)GND(B)OUT+(B)OFFSET-(B
5、)OFFSET+(B)S/R-(B)图4 HM C1022传感器航向角H二 90- arctan(X / Y ) ! 180/n ( Y 0) =270- arctan( X/ Y) ! 180/ n ( Y 0) =180( Y= 0, X 0) ( 1)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-1010 mV。当地磁场强度达最大值时(0. 6Gauss), 其电压输出的范围为V out二(V 10 mV ) + ( V 16 mV /Gauss ! 0. 6 Gauss)= V 19. 6 mV这里磁阻传感
6、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。环境中的强磁场(大于5 ! 10-
7、 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HMC1002是借助一个偏置磁场 以补偿干扰磁场，即通过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。本系统采用的置位/复位电路，其产生的强电流脉冲为11. 2A(4A)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1/ O引脚进行控制。图6复位置位电路1. 6微控制器的选择本系统采用A
8、VR 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 MHz时性能高达16 MIPS,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IEEE1149. 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。第二章系统软件设计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）
9、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。Ta Tb TaTcI-44_4H复位 置位v输出读取v置位读取V复位._S/R（賈位/复位）嵐位Ta5 psTbl 肖Tc20 ps5Os 最大Td20 gs复位T图7复位置位脉冲时序图8复位置位流程OS二二（V set+ V rst ） / 2（ 2）该偏置项包括传感器电桥和接口电子器件的偏移，以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丫与X确定，罗盘在水平面内旋转时, 感受地磁场输出的Y, X值
10、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Xs f和Ysf，来将椭圆 改为圆8。于是可计算偏移值Xof f和Yof f ,将圆中心定在（0，0）原点， 用公式（2）来计算Y , X值。X 值二 X sf ! X 读数 + X of f （ 2）Y 值二 Ys f ! Y 读数 + Yof f 这里的定标因数Xs f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（Xs
11、f, Y sf ）,以及零偏移值（Xoff, Yoff）Xsf= 1或丫（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Xoff二（X最大-X最小）/ 2- X最大! Xs f （ 4）Y off二（Y 最大-Y最小）/ 2- Y最大! Ysf2- 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FLASH中。具体流程图如 图11所示。图11系统流程图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1 。
