基于GMR傳感器的三軸電子羅盤*

林乾浩，錢正洪*，龔天平，白 茹，詹宏良，孟慶豐 ，孫宇澄 ，3，楊昌茂

（1.杭州電子科技大學 磁電子中心，浙江 杭州 310018；2.東方微磁科技有限責任公司，湖北 宜昌 443003；3.四川大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610064）

0 引 言

電子羅盤是一種新型的重量輕、體積小、穩定性高、可靠性好的姿態檢測模塊，廣泛應用于航空、航天、航海、車輛導航、智能終端設備等領域[1]。近年來，智能手機、平板電腦和游戲機等消費電子設備的導航功能已經使電子羅盤變成標準配置[2]，從而對電子羅盤的市場需求也不斷增加。

目前應用最多的測量地磁場的傳感器主要有3種：磁通門傳感器、霍爾傳感器、AMR傳感器。磁通門傳感器磁場分辨力高、受鐵磁物體干擾小，但它們體積大、頻響特性差。霍爾傳感器量程大但靈敏度低、溫度性能差。AMR傳感器是目前在電子羅盤中應用最多的一類傳感器，但其需要置位/復位電路來消除磁滯，從而使后端處理電路變得復雜。GMR傳感器屬于一類新型的傳感器，與AMR傳感器相比，具有體積小、靈敏度高、線性度好、磁場分辨率高、接口電路簡單等諸多優點，更適合于電子羅盤的應用，代表了未來電子羅盤的發展方向[3]。

本研究提出一種基于GMR傳感器的電子羅盤測量系統，采用一個兩軸的GMR傳感器和單軸的GMR傳感器測量磁場矢量，結合三軸加速度傳感器測定航向角、俯仰角和橫滾角。針對傳感器的制造誤差和環境中存在的磁場干擾，提出一種帶有自動校準功能和磁場補償的校準方法，能夠有效地提高電子羅盤的測量精度。

1 三軸電子羅盤的硬件設計

巨磁阻電子羅盤總體設計結構如圖1所示，主要包括傳感器及信號調理電路部分和微控制器及外圍電路部分[4]。系統首先采集三軸GMR傳感器和三軸加速度傳感器的信號，由于GMR傳感器輸出的信號在幾個毫伏左右，本研究需要通過信號調理電路進行信號的放大濾波，并與加速度傳感器得到的經過濾波后的信號一起送到微控制器進行A/D轉換，并將處理后的數字信號進行軟件數字濾波、航向和姿態解算、誤差補償校準處理，最終通過串口實時輸出穩定的姿態角。

圖1 三軸電子羅盤的設計框圖

1.1 傳感器及信號調理電路

本研究設計的電子羅盤選用的是東方微磁科技有限公司生產的高靈敏度雙軸SAS022-1和單軸VA100F3巨磁阻自旋閥傳感器，來組合成三軸GMR傳感器。

GMR傳感器輸出曲線如圖2所示。

圖2 GMR傳感器典型響應曲線

使用GMR傳感器時數據采集電路設計非常簡單，不需要像AMR傳感器一樣帶有置位/復位電路，并且具有很高的靈敏度、線性度和磁場分辨率，該傳感器線性測量范圍在±3 Gauss，靈敏度為4.1 mV/V/Oe[5]，而AMR傳感器的靈敏度一般只在1 mV/V/Oe左右，所以通過選用該GMR芯片可以保證羅盤的分辨率和精度。

三軸加速度傳感器采用的是ST公司的LIS332AR。該傳感器尺寸小、功耗低，并可提供模擬電壓輸出，每個軸的電壓在0.9 V～2.1 V之間變化，測量范圍是±2 g，可直接接入單片機的A/D接口進行模數處理。

由于GMR傳感器在地磁場影響下只產生毫伏級的差分電壓，本研究選擇ADI公司的OP2177運算放大器進行差分信號放大，單個GMR傳感器的調理電路如圖3所示。

圖3 單個GMR傳感器的信號調理電路

GMR傳感器實測電阻為2.46 kΩ，電路中反饋電阻為300 kΩ，所以該電路放大倍數為115倍。同時筆者給放大器增加1.5 V的參考電壓，使最終輸出結果在0～2.5 V以內。最后，將GMR傳感器放大后的信號與加速度傳感器產生的信號一起經過RC低通濾波電路濾波并送到微控制器的6路A/D口。

1.2 微控制器及外圍電路部分

本研究選用MSP430F2618TPM芯片作為微控制器，單片機及外圍電路圖如圖4所示。

圖4 單片機及外圍電路圖

該單片機具有強大的處理能力、超低功耗、高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊，集成了12位ADC、UART、SPI和JTAG等片內外設，擁有116 KB的Flash程序存儲器，可用于非易失性數據存儲。單片機主要工作是將傳感器采集到的模擬信號進行A/D處理，并將處理后的數字信號進行軟件數字濾波、姿態解算和誤差補償校準，最終通過串口把解算出來的姿態信息傳輸到電腦上。其中，硬件電路中時鐘晶振采用8 M無源晶振；J3是單片機的JTAG接口，能夠進行電路硬件仿真和程序下載；MSP430單片機的Vref+管腳能夠產生1.5 V的穩定電壓供運算放大器作為參考電壓使用；本研究在串口輸出信號部分增加了TTL電平輸出電路。

2 磁羅盤測量的基本原理

地球本身存在地磁場，磁場強度在0.5 Gauss左右，其方向總是指向磁北，GMR傳感器正是利用地磁場的這一特性來確定載體運動過程中的任一姿態的磁場分量，載體在三維空間中，運動時載體坐標系時刻在發生變化，與地理坐標系不重合。由于電子羅盤與載體是同步運動的，相對于地理坐標系也是在不斷變化的。本研究把羅盤相對于地理坐標系XYZ3個軸方向上繞順時針轉動的角度分別定義為橫滾角γ、俯仰角θ和航向角φ，坐標示意圖如圖5所示[6]。

圖5 三軸電子羅盤坐標示意圖

在應用中GMR傳感器測量到的磁場矢量值在載體坐標系中的坐標為(Hx,Hy,Hz)。本研究利用方向余弦法，結合轉動過程中的俯仰角θ和橫滾角γ，可將載體坐標系轉換到地理坐標系中[7]，其坐標(X,Y,Z)可表達為：

由式（1）得出：

進而可求出航向角：

其中，俯仰角θ和橫滾角γ可以通過加速度計3個軸檢測到的分量(gx,gy,gz)解算出來。

俯仰角：

橫滾角：

由于傳感器制造過程中存在誤差，3個GMR傳感器存在零場偏置和靈敏度差異，此外，工作環境中存在一些磁場干擾，也會影響GMR傳感器的測量值。由于存在的這些誤差不可避免，本研究必須對電子羅盤進行校正補償[8-9]。

校準方法為：將電子羅盤水平放置旋轉一周，采集GMR傳感器X軸和Y軸測量結果的最大值和最小值，記為(Xmax,Xmin,Ymax,Ymin)，并將羅盤垂直旋轉90°放置，再水平旋轉一周，采集GMR傳感器Z軸測量結果的最大值和最小值，記為(Zmax,Zmin)。

巨磁阻的在零場偏置和磁場干擾影響下的偏移值(Xoff,Yoff,Zoff)為：

巨磁阻傳感器的每個軸靈敏度值(Kx,Ky,Kz)為：

經過校正補償，設經過校準的磁阻傳感器3個軸的分量為(Hx1,Hy1,Hz1)，則:

3 三軸電子羅盤的軟件設計

該系統設計的電子羅盤的工作模式分為正常模式和校準模式[10-13]。當電子羅盤上電后，系統默認進入正常模式，如果在正常工作模式下，接收到串口發送的校準命令，則執行相應的校準程序。

系統在正常工作模式下的程序設計流程為：系統初始化；從Flash中讀取巨磁阻傳感器的每個軸的中點電壓值(Xoff,Yoff,Zoff)，每個軸的靈敏度(Kx,Ky,Kz)，加速度傳感器每個軸水平參考值(Gxoff,Gyoff,Gzoff)；接著采集傳感的原始數據，并對得到的數據進行軟件數字濾波處理；然后進行航向和姿態解算，并按照一定的數據格式將航向角、俯仰角、橫滾角和傳感器原始數據輸出到電腦上。

其程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

當MCU收到用戶發送的GMR傳感器校準命令時，程序進入GMR傳感器校準流程；電子羅盤采集GMR傳感器每個軸的最大值和最小值，完成工作后，計算GMR傳感器相關的參數并保存到Flash；當MCU收到用戶發送的加速度傳感器校準命令時，程序進入加速度傳感器校準流程，電子羅盤采集當前平面穩定的加速度數據，設為水平參考值，并將相關參數保存到Flash；校準完畢后中斷返回，羅盤正常工作。

4 實驗結果分析

電子羅盤經過國家弱磁一級計量站進行實驗測量，實驗調試裝備如圖7所示（該測試環境外界磁場干擾很小）。

圖7 實驗調試設備

本研究首先將羅盤置于夾具上并放置在標準無磁轉臺上進行校準，并在轉臺上以水平和30°傾斜兩種狀態分別每隔30°輸出一次數據，通過對比標準轉臺上的刻度與串口輸出結果，可以分析羅盤的具體誤差。為了驗證算法對磁干擾的補償是否有效，本研究還加上一組帶有鐵磁性物質固定干擾源與電子羅盤一起校準的對比實驗。

校準后航向角誤差如圖8、圖9所示，電子羅盤水平精度在±1°以內，30°傾斜后精度在±1.5°以內，分辨率為0.1°，羅盤可在0°～360°范圍內測量。并且在加上一組帶有鐵磁性物質的固定干擾源進行校準后，羅盤精度也保持在原先的精度水平，證明了本研究設計的校準算法能夠很好地對磁場干擾進行補償。

圖8 無干擾源電子羅盤誤差曲線

圖9 有干擾源校準后電子羅盤誤差曲線

5 結束語

目前，市面上基于新型的GMR傳感器進行研制的電子羅盤未見報道，本研究設計的電子羅盤硬件電路簡單、體積小、功耗低，具有自動校準與磁場補償算法功能。經實驗驗證，通過校準后該羅盤水平航向精度達到±1°，30°傾斜后精度達到±1.5°，羅盤分辨率為0.1°。

研究結果表明，本研究設計的電子羅盤能夠有效地補償磁場干擾，具有較高的測量精度，所研制的三軸電子羅盤在手機、車載、船舶等導航系統具有潛在應用價值。

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