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用磁場傳感器KMZ52設計的電子指南針

作者: 時間:2004-12-07 來源:網(wǎng)絡 收藏

摘要:介紹了目前用于定位系統(tǒng)中的電子指南針的工作原理,詳細論述了芯片的工作原理,給出了用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;

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(tǒng)接口,因此可代替舊的磁指南針。并以精度高、穩(wěn)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(tǒng)集成了幾種特殊的抗干擾技術來提高系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(huán)境溫度可能會影響系統(tǒng)精度,因此,在高精度系統(tǒng)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(shù)。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(jù)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(tǒng)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(tǒng)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(jù)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(tǒng)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(shù),可以將二者的翻轉線圈串聯(lián),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(tǒng)對傳來的信號進行A/D采樣、數(shù)值處理和校正后,即可得到所求的角度。

4 數(shù)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(shù)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(shù)值變化較大的角度范圍內,用一個函數(shù)改變其幅值變化曲線。具體實現(xiàn)時,可按照一定角度對曲線進行分段,并對各段用一次函數(shù)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(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(jīng)過校正,即可消除磁場的影響?,F(xiàn)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(shù)據(jù)處理方法提高了系統(tǒng)的精度。由于系統(tǒng)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(tǒng)精度進一步得到提高。此外,該系統(tǒng)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(tǒng),以消除傾斜現(xiàn)象。由于本系統(tǒng)可以采用各種處理平臺來實現(xiàn),因此具有良好的可移植性,可廣泛用于定位系統(tǒng),而且可靠性好,精度很高。



關鍵詞: KMZ 52 磁場 傳感器

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