車用磁阻傳感器式電子羅盤係統的開發
發布時間：2008-09-30 來源：北京航空航天大學 汽車工程係
中心論題：
- HMC1055係列各向異性磁阻傳感器。
- 三維電子羅盤的總體設計。
- 三維電子羅盤係統的硬件設計的介紹。
- 車載羅盤係統的幹擾校正。
解決方案：
- 對傳感器敏感元件施加一個瞬態的強恢複磁場恢複或保持傳感器特性。
- 采用標定的方法消除硬鐵影響幹擾。
- 三軸設計和姿態補償使羅盤處於任何姿態時均能正常使用。
羅盤是一種重要的導航工具，已廣泛應用於飛機和航海導航等領域。一般在飛機和航海導航係統中使用的慣性導航係統由於價格昂貴、結構複雜、導航誤差隨時間累計等原因而不適合車載使用；傳chuan統tong的de羅luo盤pan雖sui然ran價jia格ge便bian宜yi，但dan不bu能neng工gong作zuo於yu像xiang行xing駛shi的de汽qi車che這zhe種zhong不bu穩wen定ding的de環huan境jing中zhong。另ling外wai，傳chuan統tong羅luo盤pan不bu能neng夠gou電dian子zi輸shu出chu，其qi信xin號hao不bu能neng集ji成cheng到dao汽qi車che的de控kong製zhi係xi統tong中zhong，給gei實shi現xian基於精確導航的智能交通帶來了不便。
本ben文wen針zhen對dui以yi上shang問wen題ti，充chong分fen考kao慮lv到dao汽qi車che內nei部bu環huan境jing的de不bu平ping穩wen性xing以yi及ji汽qi車che發fa動dong機ji等deng對dui磁ci場chang的de幹gan擾rao，利li用yong磁ci阻zu傳chuan感gan器qi設she計ji了le一yi種zhong車che載zai磁ci阻zu式shi電dian子zi羅luo盤pan係xi統tong。
HMC1055係列各向異性磁阻傳感器
HMC1055係列集成了HMC1051Z單軸磁阻傳感器、HMC1052雙軸磁阻傳感器和一個二軸MEMSIC MXS3334UL加速度傳感器。
HMC1052shiyigeshuangzhouxianxingcizuchuanganqi，meigechuanganqidouyouyigeyoutieniebomohejinzuchengdehuisidunqiao。dangqiaolujiashanggongdiandianyashi，chuanganqijiangcichangqiangduzhuanhuaweidianyashuchu。HMC1052包含兩個敏感元件，它們的敏感軸相互垂直，且參數相互匹配。內部電路如圖1所示。
本ben文wen針zhen對dui以yi上shang問wen題ti，充chong分fen考kao慮lv到dao汽qi車che內nei部bu環huan境jing的de不bu平ping穩wen性xing以yi及ji汽qi車che發fa動dong機ji等deng對dui磁ci場chang的de幹gan擾rao，利li用yong磁ci阻zu傳chuan感gan器qi設she計ji了le一yi種zhong車che載zai磁ci阻zu式shi電dian子zi羅luo盤pan係xi統tong。
HMC1055係列各向異性磁阻傳感器
HMC1055係列集成了HMC1051Z單軸磁阻傳感器、HMC1052雙軸磁阻傳感器和一個二軸MEMSIC MXS3334UL加速度傳感器。
HMC1052shiyigeshuangzhouxianxingcizuchuanganqi，meigechuanganqidouyouyigeyoutieniebomohejinzuchengdehuisidunqiao。dangqiaolujiashanggongdiandianyashi，chuanganqijiangcichangqiangduzhuanhuaweidianyashuchu。HMC1052包含兩個敏感元件，它們的敏感軸相互垂直，且參數相互匹配。內部電路如圖1所示。
除了惠思頓電橋，HMC1052還有兩個位於芯片上的磁耦合帶：偏置帶和置位/複位帶。兩個敏感元件都有這兩個帶。置位/複位帶用於確保精度；偏置帶用於校正傳感器或偏置任何不想要的磁場。
HMC1051Z為HMC1052的單軸版本，其參數與HMC1052相同。HMC10512內部電路如圖2所示。
HMC1051Z為HMC1052的單軸版本，其參數與HMC1052相同。HMC10512內部電路如圖2所示。
MEMSIC MXS3334UL是一個二軸的加速度傳感器，它能夠提供一個用數字表示的重力加速度值。當傳感器被水平放置時，兩個輸出口提供一個100Hz、50%占空比的方波。隨著傳感器的傾斜，它的輸出占空比發生變化[1]。
三維電子羅盤總體設計
地球磁場的強度為0.6高gao斯si左zuo右you，現xian有you的de磁ci阻zu傳chuan感gan器qi可ke以yi很hen好hao地di測ce量liang地di磁ci場chang範fan圍wei內nei的de磁ci場chang強qiang度du。由you於yu二er維wei羅luo盤pan隻zhi能neng在zai保bao持chi水shui平ping的de情qing況kuang下xia正zheng常chang工gong作zuo，如ru果guo用yong於yu車che輛liang的de動dong態tai環huan境jing中zhong，將jiang不bu可ke能neng保bao證zheng其qi永yong遠yuan水shui平ping，所suo以yi在zai這zhe種zhong場chang合he下xia，羅luo盤pan的de可ke使shi用yong性xing大da大da降jiang低di。於yu是shi需xu要yao設she計ji三san維wei羅luo盤pan以yi適shi應ying各ge種zhong姿zi態tai的de測ce量liang。三san維wei電dian子zi羅luo盤pan的de總zong體ti設she計ji方fang案an如ru圖tu3所示。三軸磁阻傳感器分別從X、Y、Z 三個磁場強度方向輸出電壓，經過放大電路分別輸入到三個具有A/D轉換能力的MCU端口，二軸加速度傳感器測量俯仰角度和橫滾角度，測量參數的意義如圖4所示。
地球磁場的強度為0.6高gao斯si左zuo右you，現xian有you的de磁ci阻zu傳chuan感gan器qi可ke以yi很hen好hao地di測ce量liang地di磁ci場chang範fan圍wei內nei的de磁ci場chang強qiang度du。由you於yu二er維wei羅luo盤pan隻zhi能neng在zai保bao持chi水shui平ping的de情qing況kuang下xia正zheng常chang工gong作zuo，如ru果guo用yong於yu車che輛liang的de動dong態tai環huan境jing中zhong，將jiang不bu可ke能neng保bao證zheng其qi永yong遠yuan水shui平ping，所suo以yi在zai這zhe種zhong場chang合he下xia，羅luo盤pan的de可ke使shi用yong性xing大da大da降jiang低di。於yu是shi需xu要yao設she計ji三san維wei羅luo盤pan以yi適shi應ying各ge種zhong姿zi態tai的de測ce量liang。三san維wei電dian子zi羅luo盤pan的de總zong體ti設she計ji方fang案an如ru圖tu3所示。三軸磁阻傳感器分別從X、Y、Z 三個磁場強度方向輸出電壓，經過放大電路分別輸入到三個具有A/D轉換能力的MCU端口，二軸加速度傳感器測量俯仰角度和橫滾角度，測量參數的意義如圖4所示。
將測量出的X、Y、Z、θ、Φ代入式(1)、(2):
H=Xcos(Φ)+Ysin(θ)sin(Φ)-Zcos(θ)sin(Φ)(1)
H=Ycos(θ)+Zsin(θ)(2)
從而得到磁場強度在水平麵內的分量(XH、YH)，由式(3)：
方位角Φ=arctan(YH/XH)(3)
就可以計算出方位角Φ的值。
三維電子羅盤係統的硬件設計
磁阻式羅盤由五部分組成：三軸磁阻傳感器、二軸加速度傳感器、信號放大電路、置位/複位電路、MCU係統等。
a 放大電路的設計
各向異性磁阻(AMR)傳感器由惠斯頓電橋進行工作，並且傳感器輸出電壓很小，需要放大才能進行A/D轉換。下麵以HMC1052為例進行分析。HMC1052的靈敏度為±1.0mV/V/高斯,電橋偏置電壓值為±1mV/V。在橋路電壓3V和625毫高斯最大的磁場強度下，橋路偏置電壓為:
Vo f f =(3.0V)×(±1.0mV/V)=±3.0mV
最大的磁場擺幅為:
V磁場=(3.0V)×(±1.0mV/V/Guass)×(0.625Guass)=±1.875mV
因此電橋輸出的總擺幅為：
Vout =Vo f f +V磁場=(±3.0mV)+(±1.875mV)=±4.875mV
經過上麵的分析，使用雙運算放大器來設計基本電路，將需要的電壓信號放大以進行A/D轉換。圖5給出了一個HMC1052放大電路的典型方案。由於Vout=±4.875mV，ADC采樣在0～3V或者1.5±1.5V範圍內，這樣就允許運算放大器調整其增益，以將±4.875mV的信號放大至±2.5V的ADC範圍內。因此，運算放大器的增益為：
增益=(±1.5V )/(±4.875mV)=307
這裏將增益化整取值為300。
b 置位/複位電路的設計
dangshoudaoqiangcichangganraoshi，chuanganqicihuajixinghuishoudaopohuai，chuanganqitexingyehuigaibian。zhenduizheyipohuaixingdecichang，xuduichuanganqiminganyuanjianshijiayigeshuntaideqianghuifucichanglaihuifuhuobaochichuanganqitexing。在HMC1055係列芯片上有一小電流帶，對電流帶施加置位或者複位脈衝就能夠對傳感器置位或者複位 。
置位脈衝和複位脈衝對傳感器所起的作用基本是一樣，惟一的區別是傳感器輸出的正負號改變。進行置位或複位，需對複位置位帶施加3～4A、20～50ns的脈衝電流，置位或複位脈衝寬度為2μs。
在HMC1055芯片上，置位/複位片的引腳名稱是S/R+和S/R-，沒有極性的區別，單個置位/複位帶標準阻值為2.0Ω，所以對於三軸係統，三個金屬片串聯阻值為6.0Ω,則產生一個3～4A的最小脈衝驅動一個6Ω的負載所需的供電電壓為18V～24V。由於係統芯片都是使用5V電源，所以需要將5V電壓升壓到20V左右，可以使用MAX662來完成。典型的電路如圖6所示。
H=Xcos(Φ)+Ysin(θ)sin(Φ)-Zcos(θ)sin(Φ)(1)
H=Ycos(θ)+Zsin(θ)(2)
從而得到磁場強度在水平麵內的分量(XH、YH)，由式(3)：
方位角Φ=arctan(YH/XH)(3)
就可以計算出方位角Φ的值。
三維電子羅盤係統的硬件設計
磁阻式羅盤由五部分組成：三軸磁阻傳感器、二軸加速度傳感器、信號放大電路、置位/複位電路、MCU係統等。
a 放大電路的設計
各向異性磁阻(AMR)傳感器由惠斯頓電橋進行工作，並且傳感器輸出電壓很小，需要放大才能進行A/D轉換。下麵以HMC1052為例進行分析。HMC1052的靈敏度為±1.0mV/V/高斯,電橋偏置電壓值為±1mV/V。在橋路電壓3V和625毫高斯最大的磁場強度下，橋路偏置電壓為:
Vo f f =(3.0V)×(±1.0mV/V)=±3.0mV
最大的磁場擺幅為:
V磁場=(3.0V)×(±1.0mV/V/Guass)×(0.625Guass)=±1.875mV
因此電橋輸出的總擺幅為：
Vout =Vo f f +V磁場=(±3.0mV)+(±1.875mV)=±4.875mV
經過上麵的分析，使用雙運算放大器來設計基本電路，將需要的電壓信號放大以進行A/D轉換。圖5給出了一個HMC1052放大電路的典型方案。由於Vout=±4.875mV，ADC采樣在0～3V或者1.5±1.5V範圍內，這樣就允許運算放大器調整其增益，以將±4.875mV的信號放大至±2.5V的ADC範圍內。因此，運算放大器的增益為：
增益=(±1.5V )/(±4.875mV)=307
這裏將增益化整取值為300。
b 置位/複位電路的設計
dangshoudaoqiangcichangganraoshi，chuanganqicihuajixinghuishoudaopohuai，chuanganqitexingyehuigaibian。zhenduizheyipohuaixingdecichang，xuduichuanganqiminganyuanjianshijiayigeshuntaideqianghuifucichanglaihuifuhuobaochichuanganqitexing。在HMC1055係列芯片上有一小電流帶，對電流帶施加置位或者複位脈衝就能夠對傳感器置位或者複位 。
置位脈衝和複位脈衝對傳感器所起的作用基本是一樣，惟一的區別是傳感器輸出的正負號改變。進行置位或複位，需對複位置位帶施加3～4A、20～50ns的脈衝電流，置位或複位脈衝寬度為2μs。
在HMC1055芯片上，置位/複位片的引腳名稱是S/R+和S/R-，沒有極性的區別，單個置位/複位帶標準阻值為2.0Ω，所以對於三軸係統，三個金屬片串聯阻值為6.0Ω,則產生一個3～4A的最小脈衝驅動一個6Ω的負載所需的供電電壓為18V～24V。由於係統芯片都是使用5V電源，所以需要將5V電壓升壓到20V左右，可以使用MAX662來完成。典型的電路如圖6所示。
得到需要的電壓後，設計圖騰柱式置位複位電路，如圖7所示。圖中SET和RESET可以各連接MCU的一個引腳，當SET為高傳感器時置位；RESET為高電傳感器時複位。
脈衝寬度會對整個電源的消耗造成直接影響，但是由於汽車內幹擾比較多，所以建議至少為2次/秒。這樣既可以保證係統的精度，也降低了功耗。
係統的幹擾校正
由於汽車內環境的特殊性，造成了車載羅盤周圍的幹擾比較多，所以設計車載羅盤時需要考慮幹擾校正問題。
幹擾源可分為硬鐵影響(Hard Iron Effects)和軟鐵影響(Soft Iron Effects)。硬鐵影響源於永久磁鐵和磁化的鋼鐵對磁場引起的變化，如車內發動機、直流電等，這種影響恒heng定ding地di附fu加jia一yi個ge磁ci場chang分fen量liang。軟ruan鐵tie影ying響xiang產chan生sheng於yu地di磁ci場chang，受shou軟ruan鐵tie材cai料liao的de影ying響xiang，如ru當dang汽qi車che駛shi過guo一yi個ge強qiang磁ci場chang區qu時shi，這zhe種zhong影ying響xiang往wang往wang是shi瞬shun時shi的de，而er且qie比bi較jiao微wei弱ruo。所suo以yi在zai設she計ji車che載zai羅luo盤pan時shi主zhu要yao需xu考kao慮硬鐵影響對係統的影響[1]。
因為硬鐵影響是恒定的，所以可以采用標定的方法消除幹擾。標定的方法為：將車載羅盤在水平麵旋轉一周，記錄下X、Y兩個方向的最大和最小值(Xmax、Ymax)、(Xmin、Ymin)，代入式(4)、(5)、(6)、(7)中，可以得到Xo f f 、Yo f f 。
其中,(XR、YR)為經過校正的值，將它們帶入式(3)就可以得到方位角。
本ben電dian子zi羅luo盤pan的de設she計ji充chong分fen考kao慮lv了le汽qi車che內nei部bu的de不bu平ping穩wen性xing以yi及ji磁ci場chang幹gan擾rao，采cai用yong了le抗kang幹gan擾rao技ji術shu，使shi係xi統tong測ce量liang精jing度du得de到dao了le提ti高gao。由you於yu采cai用yong了le三san軸zhou設she計ji和he姿zi態tai補bu償chang設she計ji方fang案an，使shi羅luo盤pan處chu於yu任ren何姿態時均能正常使用。此外，本係統經過微控製器進行數字輸出，從而可集成於GPS定位係統之中。
係統的幹擾校正
由於汽車內環境的特殊性，造成了車載羅盤周圍的幹擾比較多，所以設計車載羅盤時需要考慮幹擾校正問題。
幹擾源可分為硬鐵影響(Hard Iron Effects)和軟鐵影響(Soft Iron Effects)。硬鐵影響源於永久磁鐵和磁化的鋼鐵對磁場引起的變化，如車內發動機、直流電等，這種影響恒heng定ding地di附fu加jia一yi個ge磁ci場chang分fen量liang。軟ruan鐵tie影ying響xiang產chan生sheng於yu地di磁ci場chang，受shou軟ruan鐵tie材cai料liao的de影ying響xiang，如ru當dang汽qi車che駛shi過guo一yi個ge強qiang磁ci場chang區qu時shi，這zhe種zhong影ying響xiang往wang往wang是shi瞬shun時shi的de，而er且qie比bi較jiao微wei弱ruo。所suo以yi在zai設she計ji車che載zai羅luo盤pan時shi主zhu要yao需xu考kao慮硬鐵影響對係統的影響[1]。
因為硬鐵影響是恒定的，所以可以采用標定的方法消除幹擾。標定的方法為：將車載羅盤在水平麵旋轉一周，記錄下X、Y兩個方向的最大和最小值(Xmax、Ymax)、(Xmin、Ymin)，代入式(4)、(5)、(6)、(7)中，可以得到Xo f f 、Yo f f 。
其中,(XR、YR)為經過校正的值，將它們帶入式(3)就可以得到方位角。
本ben電dian子zi羅luo盤pan的de設she計ji充chong分fen考kao慮lv了le汽qi車che內nei部bu的de不bu平ping穩wen性xing以yi及ji磁ci場chang幹gan擾rao，采cai用yong了le抗kang幹gan擾rao技ji術shu，使shi係xi統tong測ce量liang精jing度du得de到dao了le提ti高gao。由you於yu采cai用yong了le三san軸zhou設she計ji和he姿zi態tai補bu償chang設she計ji方fang案an，使shi羅luo盤pan處chu於yu任ren何姿態時均能正常使用。此外，本係統經過微控製器進行數字輸出，從而可集成於GPS定位係統之中。
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