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1、用磁场传感器 KMZ52 设计的电子指南针摘要 :介绍了目前用于定位系统中的电子指南针的工作原理 ,详细论述了磁场传感器芯片 KMZ52 的工作原理 ,给出了用 KMZ52 磁场传感器设计电子指南针的总体设计方案和电路 ,同时给出了设计中的一些特殊处理方法。关键词 :电子指南针 ;磁场传感器 ;KMZ521 概述指南针是一种重要的导航工具,可应用在多种场合中。电子指南针内部结构固定 ,没有移动部分 ,可以简单地和其它电子系统接口 ,因此可代替旧的磁指南针。并以精度高、稳定性好等特点得到了广泛运用。Philips 公司生产的半导体器件KMZ52 是一种专门用于电子指南针的二维磁场传感器。它采用磁
2、场传感器的磁阻 (MR 技术 ,并用翻转技术消除信号偏移 ,而用电磁反馈技术来消除温度的敏感漂移。由于外界存在干扰 ,该系统集成了几种特殊的抗干扰技术来提高系统精度。本文介绍了电子指南针的工作原理及电路设计 ,同时给出了其抗干扰设计以及信号和数据的处理方法。2 工作原理与总体方案图 1 是 KMZ52 的内部结构框图和引脚排列。图中 ,Z1 和 Z4 为翻转线圈 ,Z2 和 Z3 为补偿线圈。由于环境温度可能会影响系统精度 ,因此 ,在高精度系统中 ,可以通过补偿线圈对其进行补偿。KMZ52 内部有两个正交的磁场传感器分别对应二维平面的X 轴和 Y 轴。磁场传感器的原理是利用磁阻 (MR 组成
3、磁式结构 ,这样可改变电磁物质在外部磁场中的电阻系数。以便在磁场传感器的翻转线圈Z1 和 Z2 上加载翻转电信号后使之能够产生变化的磁场。由于该变化磁场会造成磁阻变化 (R0并将其转化成变化的差动电压输出 ,这样 ,就能根据磁场大小正比于输出差动电压的原理,分别读取对应的两轴信号 ,然后再进行处理计算即可得到偏转角度。整个电子指南针系统主要由传感器单元、信号调整单元 (SCU、方向确定单元 (DDU 和显示单元四部分组成。电子指南针的总体设计框图如图 2 所示。图中 ,磁场传感器 KMZ52 用于将地磁场信号转化成电信号输出 ,信号调整单元用于将磁场传感器单元中的输出信号成比例放大 ,并将其转
4、换成合适的信号 hex 和 hey,同时消除信号的偏移。对于保证系统的精度来说 ,SCU 是最重要的部件。通过 DDU 可将信号调整单元输出的两路信号 hex 和 hey 进行放大 ,然后再按下式计算出偏转角度 : =arctan hey/hex这样根据抗干扰技术算法对 进行处理就可得出该磁场的偏转角度 ,最后通过显示单元进行输出。3 硬件设计该电子指南针系统的电路设计如图3 所示。由于 KMZ52 内部桥式结构的磁阻输出是差动电压 ,通过运算放大器可以成比例放大,因此 ,在测量地磁场信号时 ,为了将两个磁场传感器信号放大同样的倍数,可以将二者的翻转线圈串联,并对差动电压选用同样的运放结构。翻
5、转信号从口输入,X、Y 轴差动电压信号则分别从、口输出。然后通过处理系统对传来的信号进行A/D 采样、数值处理和校正后,即可得到所求的角度。4 数值处理由于 KMZ52 的输出信号很微弱 ,故信号干扰较大。在输出幅值很小的位置上 ,通常有 300mV 左右且变化很大的干扰 ;而在输出幅值时则近似保持恒值。两路信号幅值与角度的关系如图4 所示。为使二者的比值接近 tan 090 的变化 ,可以在幅值较大且数值变化较小的角度范围内 ,使幅值保持基本不变 ;而在幅值较小且数值变化较大的角度范围内 ,用一个函数改变其幅值变化曲线。具体实现时 ,可按照一定角度对曲线进行分段 ,并对各段用一次函数 y=a
6、x+b 去拟合。这样 ,就可以使幅值变化曲线接近 tan 。角度划分越细 ,精度越高。磁场传感器 KMZ52 的精度为 3,若按 15划分 , 可将精度提高到 1。若按 5对其划分 ,精度可高达 0.3 。如划分更细 ,精度还可进一步提高。若采用高阶函数去拟合 ,也可以提高精度。实际上 ,在精度要求不高的情况下 ,通常以 15划分就可以达到要求。5 干扰校正有时候 ,某些外来磁场叠加会产生一个恒定磁场 ,这个磁场对系统指示将造成影响。故可采用如下方法对其进行校正:让整个系统在水平面上旋转一周,干涉磁场与地球磁场叠加会有一个最大值Vmax 和一个最小值 Vmin, 记录下这两个值和达到最大值 (
7、或最小值的角度 ,再经过校正 ,即可消除磁场的影响。现以图 5 所示的干扰校正方案为例来加以说明。设地球磁场的大小为 Vear,干扰磁场的大小为 Vdis 则有 :Vear=(Vmax+Vmin/2Vdis=(Vmax-Vmin/2这样 ,由正弦定理 Vear/sin =Vdis/sin 可求出 。然后在 上加上 角即可消除干扰磁场的影响。6 结束语本电子指南针采用特殊的数据处理方法提高了系统的精度。由于系统采用了抗干扰技术 ,因而减小了其它因素所造成的影响 ,使系统精度进一步得到提高。此外 ,该系统本身可测量 2 维磁场 ,故可以很方便地与另一个 1 维磁场传感器 (KMZ51 组成 3 维测量系统 ,以消除倾斜现象。由于本系统可以采用各种处理平台来实现 ,因此具有良好的可移植性 ,可广泛用于定位系统 ,而且可靠性好 ,精度很高。来源 :我的电子网