CN2793692Y

CN2793692Y - 基于gmr传感器的数字式指南针

Info

Publication number: CN2793692Y
Application number: CN 200420058328
Authority: CN
Inventors: 汤玉林; 李俊文; 翟光杰
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2014-12-09

Abstract

本实用新型涉及一种数字式指南针，特别是基于GMR的数字式指南针，主要应用于军事、民用导航。它包括：主传感电桥、辅传感电桥、主信号调理模块、辅信号调理模块、校正模块、多路模拟信号AD转换电路、单片机模块和与其它设备通信的数字接口。该系统采用了GMR磁阻传感器和加速度计校正技术，提高了指南针的方向角分辨能力，提高了非水平状态下的准确度。

Description

基于GMR传感器的数字式指南针

技术领域

本实用新型涉及一种数字式指南针，特别是基于GMR的数字式指南针，主要应用于军事、民用导航。

背景技术

在原有的基于磁通门、磁感应或者霍尔效应传感器等的数字式指南针中，如图1所示，将基于磁通门、磁感应或者霍尔效应的传感器作为磁场到电量的转换元件，之后通过信号调理和模数转换，最终用数字量来表示方向。原数字式指南针存在许多不足之处：基于磁通门和磁感应传感器的指南针精度较高，可达±1°，但由于线圈的介入使其体积较大，结构相对复杂，较难嵌入到其它系统中；基于霍尔效应传感器的指南针虽然结构简单，容易集成，但存在精度不高的问题；没有引入Z轴校正，不能在非水平下状态下使用。

实用新型内容

针对上述存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种基于GMR传感器的数字式指南针，不仅精度高、体积减小、易集成，而且可在非水平状态下使用。

为实现上述目的，本实用新型一种基于GMR传感器的数字式指南针包括：主传感电桥、辅传感电桥、主信号调理模块、辅信号调理模块、校正模块、多路模拟信号AD转换电路、单片机模块和数字接口，所述主、辅传感电桥的输出分别经所述主、辅信号调理模块放大、滤波后调整到适合AD转换的电压范围；以单片机模块作为整个系统的控制中心，负责模拟信号的通道切换、AD转换的启动控制和数据读出并分析得出当前方向角，之后通过数字接口传送给其它设备。

进一步地，所述主传感电桥、辅传感电桥采用巨磁阻GMR效应的磁阻传感器，所述校正模块采用加速度计。

进一步地，所述加速度计采用Applied MEMS公司的SF3000L型加速度计。

进一步地，所述单片机模块包括单片机芯片及其复位、震荡电路。

进一步地，所述单片机芯片为ATMEL89C52。

进一步地，所述主、辅信号调理模块包括信号放大、低通滤波电路。

进一步地，所述信号放大电路包括放大器及其外围器件。

进一步地，所述放大器为AD公司的仪表放大器AD620。

进一步地，所述多路模拟信号AD转换电路包括多路模拟开关和AD转换电路。

进一步地，所述多路模拟开关为AD公司的八选一芯片AD7503。

进一步地，所述AD转换电路包括AD芯片和与其相连接的量程控制电路。

进一步地，所述AD芯片为ANOLOGY DEVICE公司的AD1674。

进一步地，所述数字接口为RS232接口芯片。

进一步地，所述RS232接口芯片为MAXIM的MAX232。

本实用新型采用了GMR磁阻传感器和加速度计校正技术，提高了指南针的方向角分辨能力，提高了非水平状态下的准确度，因此不仅精度高、体积减小、易集成，而且可在非水平状态下使用。

附图说明

图1为原有基于磁通门、磁感应或霍尔效应传感器的数字式指南针的结构框图。

图2为本实用新型的结构框图。

图3为本实用新型的主传感电桥电路图。

图4为本实用新型的辅传感电桥电路图。

图5为本实用新型的主信号调理模块电路图。

图6为本实用新型的辅信号调理模块电路图。

图7为本实用新型的单片机模块电路图。

图8为本实用新型的多路模拟信号AD转换电路图。

图9为本实用新型的数字接口电路图。

图10为本实用新型的主、辅传感器的电阻变化曲线。

图11为本实用新型的方位判据图。

图12为本实用新型的单片机程序流程图。

具体实施方式：

如图2所示，本实用新型采用GMR磁阻传感器组成主、辅传感电桥，将方向信号转换为电桥的输出，分别经主、辅信号调理模块放大、低通滤波，成为适合AD1674输入量程的信号；以ATMEL89C52单片机为控制核心，通过将调理后的信号和加速度计的输出经多路通道开关、AD转换后变成数字信号，分析成方向角后通过RS232接口传送给其它设备。

通过RS232接口芯片MAX232与其它设备相连，进行数据通信；单片机程序在加电复位后，就开始采集主、辅电桥信号和加速度计的输出，计算出方向角并阀送出去，并不间断地重复此操作，如图12所示。

下面分别对各部分电路图做详细解释。

图3为本实用新型的主传感电桥电路图。主传感电桥中，GMR传感器S1为一中心抽头的电位器，两部分构成四臂电桥的两臂，与电阻R2、R3构成四臂电桥，并由稳定的5伏电源驱动，由此完成了磁场的变化到S1中两臂电阻的变化，再到测量电桥输出V1、V2电压差的变化。

图4为本实用新型的辅传感电桥电路图。辅传感电桥中，GMR传感器S2为一中心抽头的电位器，两部分构成四臂电桥的两臂，与电阻R8、R9构成四臂电桥，并由稳定的5伏电源驱动，由此完成了磁场的变化到S2中两臂电阻的变化，再到测量电桥输出V3、V4电压差的变化。

图5为本实用新型的主信号调理模块电路图。U10为仪表放大器AD620，配上增益设置电阻R4组成放大电路，对前级电路——测量电桥的输出信号V1、V2的差值进行放大。U11为放大器OP07，外加R6、R7组成第二级放大电路。电容C10和R6完成低通滤波，去除信号中的高频噪声。

图6为本实用新型的辅信号调理模块电路图。U8为仪表放大器AD620，配上增益设置电阻R10组成放大电路，对前级电路——测量电桥的输出信号V3、V4的差值进行放大。U9为放大器OP07，外加R13、R12组成第二级放大电路。电容C11和R13完成低通滤波，去除信号中的高频噪声。

图7为本实用新型的单片机模块电路图。11.0592MHz的晶振与单片机的X1和X2相连，由单片机的内部振荡电路产生其工作所需的时钟。R18、C14、SW1、R17组成单片机的复位电路，实现系统的正常启动。CS_7503用于AD7503的片选，高电平有效。CS_1674、A0_SC、RC_1674、AD_STATUS共同完成AD转换的启动、转换状态判断、转换结果读取等工作。

图8为本实用新型的多路模拟信号AD转换电路图。U4为模拟开关AD7503，P17、P16、P15分别接到单片机U1的P17、P16、P15引脚，编码控制AD7503的通道选择，完成电桥信号、加速度计信号到U2芯片AD1674的通道切换。CS_1674用于AD1674的片选，低电平有效。A0_SC为低电平，RC_1674由高电平变为低电平时，启动12位AD转换；RC_1674为高，将转换结果从AD1674读出，当A0_SC为低电平，AD1674允许高八位(DB4～DB11)输出，当A0_SC为高电平，允许低四位(DB0～DB3)输出，且DB7～DB4＝0。VR7为100欧姆的电位器，用来调节AD1674的输入参考电压，VR8为100欧姆的电位器，用来调节AD1674的量程偏移。

图9为本实用新型的与其它设备通信的数字接口的电路图。U3为MAXIM公司的串行接口芯片MAX232，完成TTL逻辑电平与RS232串行接口信号电平的转换。TXD_51、RXD_51分别与单片机的TXD、RXD引脚相连，负责单片机端信号的发送、接受；TXD_232、RXD_232接到外部设备的RS232接口。C15、C16、C18、C19均为1uF的电解电容，使MAX232正常工作。

图10为本实用新型的主、辅传感器的电阻变化曲线。主GMR传感器来标定角度，辅GMR传感器置于主传感器顺时针转动90°所在的位置，用来解决测量的唯一性问题。实线、虚线分别为主、辅传感器的电阻与方向角的关系曲线。图中Ro是磁电阻的零磁电阻值(无外加磁场时的磁电阻值)，0°和360°表示正北，90°表示正东，180°表示正南，270°表示正西。根据两个传感器的数据来确定方位的具体判据见图11，这样利用两个传感器便可唯一确定方向角。

Claims

1、一种基于GMR传感器的数字式指南针，其特征在于，包括：主传感电桥、辅传感电桥、主信号调理模块、辅信号调理模块、校正模块、多路模拟信号AD转换电路、单片机模块和数字接口，所述主、辅传感电桥的输出分别经所述主、辅信号调理模块放大、滤波后调整到适合AD转换的电压范围；以单片机模块作为整个系统的控制中心，负责模拟信号的通道切换、AD转换的启动控制和数据读出并分析得出当前方向角，之后通过数字接口传送给其它设备。

2、根据权利要求1所述的基于GMR传感器的数字式指南针，其特征在于，所述主传感电桥、辅传感电桥采用巨磁阻GMR效应的磁阻传感器，所述校正模块采用加速度计。

3、根据权利要求2所述的基于GMR传感器的数字式指南针，其特征在于，所述加速度计采用Applied MEMS公司的SF3000L型加速度计。

4、根据权利要求1所述的基于GMR传感器的数字式指南针，其特征在于，所述单片机模块包括单片机芯片及其复位、震荡电路。

5、根据权利要求4所述的基于GMR传感器的数字式指南针，其特征在于，所述单片机芯片为ATMEL89C52。

6、根据权利要求1所述的基于GMR传感器的数字式指南针，其特征在于，所述主、辅信号调理模块包括信号放大、低通滤波电路。

7、根据权利要求6所述的基于GMR传感器的数字式指南针，其特征在于，所述信号放大电路包括放大器及其外围器件。

8、根据权利要求7所述的基于GMR传感器的数字式指南针，其特征在于，所述放大器为AD公司的仪表放大器AD620。

9、根据权利要求1所述的基于GMR传感器的数字式指南针，其特征在于，所述多路模拟信号AD转换电路包括多路模拟开关和AD转换电路。

10、根据权利要求9所述的基于GMR传感器的数字式指南针，其特征在于，所述多路模拟开关为AD公司的八选一芯片AD7503。

11、根据权利要求9所述的基于GMR传感器的数字式指南针，其特征在于，所述AD转换电路包括AD芯片和与其相连接的量程控制电路。

12、根据权利要求11所述的基于GMR传感器的数字式指南针，其特征在于，所述AD芯片为ANOLOGY DEVICE公司的AD1674。

13、根据权利要求1所述的基于GMR传感器的数字式指南针，其特征在于，所述数字接口为RS232接口芯片。

14、根据权利要求13所述的基于GMR传感器的数字式指南针，其特征在于，所述RS232接口芯片为MAXIM的MAX232。