CN104280021A - 一种磁阻式电子罗盘测量系统 - Google Patents

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    • G01C17/02—Magnetic compasses
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Abstract

本发明公开了一种磁阻式电子罗盘测量系统，是一种基于基于现场可编程门阵列(FPGA)作为微控制器的数字磁罗盘系统，由三轴磁阻式磁传感器、三轴MEMS加速度计、参考电源、单片机、调理电路、串行通信电路等主要部分组成，将罗盘精度最大误差从10°提高到了1°左右，该罗盘结构简单、体积小、重量轻，功耗低，实验证明，该系统有很好的推广和利用价值。

Description

一种磁阻式电子罗盘测量系统
技术领域
本发明涉及一种磁阻式电子罗盘测量系统。 
背景技术
磁罗盘是导航系统和需要精确测向的定位系统中不可缺少的重要组成部分，它能实时提供活动物体的航向和姿态，根据磁阻效应和地球磁场的大小来确定方向。电子罗盘又称"数字罗盘"，它的产生正是为弥补GPS系统的不足而设计的，结合组成复合定位系统。电子罗盘是利用地磁场来测量方位的，在静止或移动状态能给出方位信息，且不受高大阻挡物的影响，因此高精度的姿态测量可以对GPS有效的补偿，即使在GPS信号失效后也能给出正确的航向，保证导航定位信息的有效，做到"丟星不丢向"。其优势体现在体积小、重量轻、结构简单、成本低等。同时，电子罗盘所需的敏感元件工艺较成熟，在研制技术方面具有巨大的优势。 
电子罗盘的原理是通过测量地球磁场确定方位，按其测量磁场的传感器种类不同，目前市售的电子罗盘可分为以下三种:磁通门式、霍尔效应式和磁阻效应式电子罗盘。按照传感器形式的不同，磁罗盘分为磁通门罗盘和电子罗盘两种。 
随着单片机技术的广泛应用和集成电路(IC)工艺技术的迅速发展，MEMS(微机电系统技术)这一新兴技术应用到小型化飞行物体上的条件变得越来越成熟，同时也为实现电子罗盘的数字化奠定了基础。 
磁阻效应是指某些金属或半导体在磁场中电阻值随着磁场大小的增加而升高的现像，这种现象在横向和纵向磁场中都能观察到，因此，可以通过测量电 阻的变化来间接测量磁场的大小。 
美国Honeywell(霍尼韦尔）公司采用对传感器进行交替正向磁化和反向磁化的方法以消除迟滞误差和零点温度漂移通过在传感器芯片上放置电流带对薄膜进行再充磁来消除外界大磁场对传感器输出特性的影响，并且拥有这项技术的专利。因此磁阻传感器在测量弱磁场以及基于弱磁场的地磁导航、磁航向系统研制、位置检测等方面显示出巨大的优势，以至于虽然它的出现远比半导体磁敏电阻、霍尔器件等晚，但发展迅速，在航天、航空、航海、工业、医疗仪器等诸多领域有着广泛的应用前景。 
目前，我国的磁阻式电子罗盘多为进口，国内生产和销售电子罗盘的厂家基本都以代理国外品牌为主，如上海直川科技、北京的星网宇达等。国内九十年代才开始电子罗盘的研究。北京理工大学基于LabVIEW虚拟仪器平台开发设计了一种测量三轴姿态的虚拟数字罗盘模型，其传感器单元由三轴加速度计和三 
轴陀螺构成，仿真效果较好；北京航空航天大学正在研制一种姿态敏感器，内部集成了三轴磁场计和双轴电解倾斜仪，可以测量航向角、俯仰角、滚动角以及三维磁感应强度值。 
本发明的目的在于研制一款体积小、质量轻、精度高、价格低廉的高精度电子罗盘。项目以地磁定向原理为基础，结合传感器技术，运用现代计算机技术和测试技术，采用模块化、结构化设计方法，以嵌入式处理器为核心构建控制系统实现对传感器的信号采集、分析及处理。 
本发明中的电子罗盘是基于ADI公司的三轴加速度计ADXL330和Honeywell公司的各向异性磁阻传感器HMC5883L组成的。采用FPGA单片机采集处理传感器信号，经过数据预处理和算法补偿后，罗盘系统精度基本上 可以达到±1°。该罗盘结构简单、体积小、重量轻，实验证明，该系统有很好的推广和利用价值。 
发明内容
本发明的目的在于提出一种数字电子罗盘测量系统，该罗盘结构简单、体积小、重量轻，将罗盘精度最大误差从10.5°提高到了1°左右，实验证明，该系统有很好的推广和利用价值。 
为达此目的，本发明采用以下技术方案： 
本发明包括：由三轴磁传感器、三轴MEMS加速度计、参考电源、单片机、调理电路、串行通信电路等主要部分组成。 
三轴磁传感器为为带有I2C总线接口的三轴数字磁阻传感器，内部具有12位A/D转换器，并且内置偏置和驱动器置位/复位电路。采用4mm×4mm×1．3mm的LCC封装，体积小、质量轻、价格低、电路设计简单。R3，R4为I2C总线上拉电阻器，DRDY为数据准备好中断，接控制器FPGA的107号管脚。电容C3，C5加上传感器片内的ASIC电路中的H电桥驱动电路可以产生电流脉冲，使片上的置位/复位电流带产生磁场给传感器去磁和极性翻转，能够把磁阻传感器恢复到测量磁场的高灵敏度状态。 
三轴MEMS加速度计ADXL345为三轴数字加速度计，内置A/D转换器，可以对高达±16g（地球加速度）的加速度信号进行高分辨率(13位)测量，并且兼容SPI和I2C总线接口。芯片采用3mm×5mm×1mm的LGA封装，体积小、成本低、分辨率高、测量范围宽。 
所述单片机为FPGA，芯片选用Altera公司Cyclone系列的EP1C3T144C8，其主要功能为完成对数字磁阻传感器和数字加速度计的数据采集、方位角计算、LED显示以及串口输出等处理。，该芯片具有2910个逻辑 单元，完全满足发明的开发方案编程需要。 
调理电路为权利要求3所述三轴加速度传感器MMA7361的0g偏移电压实测值为1.515V，灵敏度的实测值为800mV/g，电压变化的范围为0.715～2.315V。为了提高测量精度和ADC的利用率，对输出信号进行了差分放大处理，处理后电压输出范围为0.03～3.23V。 
串行通信电路主要体现在系统数据采集的流程，在FPGA内部采用状态机的方法实现了I2C总线接口的设计，把磁阻传感器和加速度计同时挂载在一个I2C总线上，根据器件地址的不同分别读取数据。FIFO是一个先进先出堆栈，作为数据缓冲器，为了防止传送过程中数据的丢失和重复读取，将读取到的数据存入FIFO中。在测试过程中发现有时读取到的数据会有比较大的波动，为了提高测量精度，在FIFO缓存之前，采用数字平均滤波的方法对采集到的数据进行了处理。 
附图说明
图1是本发明的系统结构框图 
图2是三轴加速度传感器的电路模块 
图3是信号调理电路模块 
图4是数据采集流程图 
具体实施方式
实施例1 
一种数字电子罗盘测量系统包括由三轴磁传感器、三轴MEMS加速度计、参考电源、单片机、调理电路、串行通信电路等主要部分组成。如图1所示， 
所述三轴磁传感器为为带有I2C总线接口的三轴数字磁阻传感器，内部具有12位A/D转换器，并且内置偏置和驱动器置位/复位电路。采用4mm×4mm×1．3mm的LCC封装，体积小、质量轻、价格低、电路设计简单。R3，R4为I2C总线上拉电阻器，DRDY为数据准备好中断，接控制器FPGA的107号管脚。电容C3，C5加上传感器片内的ASIC电路中的H电桥驱动电路可以产生电流脉冲，使片上的置位/复位电流带产生磁场给传感器去磁和极性翻转，能够把磁阻传感器恢复到测量磁场的高灵敏度状态。 
所述三轴MEMS加速度计ADXL345为三轴数字加速度计，内置A/D转换器，可以对高达±16g（地球加速度）的加速度信号进行高分辨率(13位)测量，并且兼容SPI和I2C总线接口。芯片采用3mm×5mm×1mm的LGA封装，体积小、成本低、分辨率高、测量范围宽。 
所述单片机为FPGA型单片机，本发明使用了控制器的1个USART端口作为I2C总线接口采集三轴磁传感器输出的信号，利用片内3个通道的ADC分别采集加速度传感器三轴的输出信号，使用片内USART和计算机进行串口通信，如图3所示。 
所述调理电路为权利要求3所述三轴加速度传感器MMA7361的0g偏移电压实测值为1.515V，灵敏度的实测值为800mV/g，电压变化的范围为0.715～2.315V。为了提高测量精度和ADC的利用率，对输出信号进行了差分放大处理，处理后电压输出范围为0.03～3.23V。图4给出了X轴的信号调理电路，Y轴和Z轴的信号调理电路与之相同。 
串行通信电路的设计主要体现在系统数据采集的流程，在FPGA内部采用状态机的方法实现了I2C总线接口的设计，把磁阻传感器和加速度计同时挂载在一个I2C总线上，根据器件地址的不同分别读取数据。FIFO是一个先进先 出堆栈，作为数据缓冲器，为了防止传送过程中数据的丢失和重复读取，将读取到的数据存入FIFO中。在测试过程中发现有时读取到的数据会有比较大的波动，为了提高测量精度，在FIFO缓存之前，采用数字平均滤波的方法对采集到的数据进行了处理。 
该电子罗盘系统具有较高的分辨率，航向角精度在±1°之内，满足测量系统的精度要求。本发明中采用Honeywell公司的磁阻传感器设计的电子罗盘，具有抗干扰能力强、抗震性高、稳定性好等优点，可以推广应用于导航系统。 

Claims (6)

1.一种磁阻式电子罗盘测量系统，其特征在于，包括：三轴磁阻式磁传感器、三轴MEMS加速度计、参考电源、单片机、调理电路、串行通信电路。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三轴磁阻式传感器为带有I2C总线接口的三轴数字磁阻传感器，内部具有12位A/D转换器，并且内置偏置和驱动器置位/复位电路，采用4mm×4mm×1．3mm的LCC封装，R3，R4为I2C总线上拉电阻器，DRDY为数据准备好中断，接控制器FPGA的107号管脚，电容C3，C5加上传感器片内的ASIC电路中的H电桥驱动电路可以产生电流脉冲，使片上的置位/复位电流带产生磁场给传感器去磁和极性翻转，能够把磁阻传感器恢复到测量磁场的高灵敏度状态。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三轴MEMS加速度计为ADXL345，其为三轴数字加速度计，内置A/D转换器，可以对高达±16g（地球加速度）的加速度信号进行高分辨率(13位)测量，并且兼容SPI和I2C总线接口，芯片采用3mm×5mm×1mm的LGA封装。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单片机为FPGA，芯片选用Altera公司Cyclone系列的EP1C3T144C8，其主要功能为完成对数字磁阻传感器和数字加速度计的数据采集、方位角计算、LED显示以及串口输出等处理。，该芯片具有2910个逻辑单元，完全满足发明的开发方案编程需要。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调理电路为权利要求3所述三轴加速度传感器MMA7361的0g偏移电压实测值为1.515V，灵敏度的实测值为800mV/g，电压变化的范围为0.715～2.315V，为了提高测量精度和ADC的利用率，对输出信号进行了差分放大处理，处理后电压输出范围为0.03～3.23V。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述串行通信电路为系统数据采集的流程，在权利要求4内部的FPGA内部采用状态机的方法实现了I2C总线接口的设计，把磁阻传感器和加速度计同时挂载在一个I2C总线上，根据器件地址的不同分别读取数据。FIFO是一个先进先出堆栈，作为数据缓冲器，为了防止传送过程中数据的丢失和重复读取，将读取到的数据存入FIFO中，在测试过程中发现有时读取到的数据会有比较大的波动，为了提高测量精度，在FIFO缓存之前，采用数字平均滤波的方法对采集到的数据进行了处理。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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CN107120108A (zh) * 2016-02-25 2017-09-01 中国石油化工股份有限公司 一种随钻成像扇区检测电路

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