（机械电子工程专业论文）基于avr单片机的数字电子罗盘的研究和实现.pdf

摘要 摘要 随着科学技术的发展，人类的活动领域的不断扩大，罗盘作为重要的导航仪器成为 各种交通运输设备中的重要组成部分。在航海上，船舶主要安装了陀螺罗经，与磁罗盘 相比，陀螺罗经虽然具有稳定的指向、受环境干扰小等优点，但是陀螺罗经结构复杂易 出故障，维修费用昂贵。所以通常情况下，虽然安装了陀螺罗经，仍然需要安装磁罗盘， 以预防陀螺罗经一旦发z 卜故障，仍可依据磁罗蕊继续航行。另外磁罗经还可以将其航向 信号传递给雷达、电子海图系统等设备，与其他导航设备一起构成磁导航系统。精度高、 成本低的磁阻式电子罗盘成为陀螺罗经辅助设备的最佳选择。 本文在简述磁罗盘的发展方向及论述了磁场测量原理的基础上，介绍了a v r 单片 机a t m e g a 6 4 为核心，应用h o n e y w e l l 公司的h m c l 0 2 2 型两轴磁阻传感器为磁敏元件， 设计的数字电子罗盘。在此罗盘系统中，根据传感器所输出信号的特点，选用了a d i 公司出品的1 6 位双通道差分输入的a d 7 7 0 5 芯片作为传感器输出数据的采集模块；利 用磁阻芯片独特的置位复位功能，有效地消除因温度漂移和电路参数漂移等共模信号造 成的误差；通过对a v r 单片机a t m e g a 6 4 的编程实现了数字滤波和航向角的解算；此 罗盘不但可以数字形式显示方位角数据，还配备了r s 4 2 2 串口通讯接口，方便其与其他 导航设备( 比如雷达、电子海图等) 配合使用。 研制了数字罗盘系统样机，并进行了调试，实验测试结果显示，该电子罗盘能实现 航向角的动态测量，在0 3 6 0 0 范围内航向角的测量精度可达1 5 0 。该数字电子罗盘， 具有体积小、结构简单、启动快、功耗低等优点，在航空、航海、车辆导航以及手持设 备等领域有着广阔的应用前景。 关键词：地磁场，电子罗盘，磁阻传感器，航向角 a b s t r a c t a i o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n t o fs i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h ea r e a so fa c t i v i t yo fh u m a n 缸e e x p a n d i n 舀s oc o m p a s sa sa ni m p o r t a n tn a v i g a t i o ne q u i p m e n ti sb e c o m i n ga ni n d i s p e n s a b l e p a r to ft r a n s p o r t a t i o nd e v i c e o nt h en a v i g a t i o n ，p e o p l em a i n i n s t a l l e dg y r oc o m p a s so ns h i p c o m p a r e dw i t hm a g n e t i cc o m p a s s ，g y r oc o m p a s s h a st h ea d v a n t a g e so fs t a b l ep o i n ta n dt h e e f e c tf r o me n v i r o m e n ti ss m a l l ，b u ts c i n c et h es t r u c t u r eo fg y r oc o m p a s si sv e r yc o m p l e x i t i s e a s yt 0p r o d u c tf a u l t sa n dm a i n t e n a n c ec o s t si sv e r yh i g h s ou n d e rn o r m a lc i r c u m s t a n c e s a l t h o u g hw ei n s t a l l e dg y r oc o m p a s s ，w ea l s on e e dam a g n e t i cc o m p a s s ，s ow e a l s oc a l l9 0 0 n n a v i g a t i o no nt h eh e l po fm a g n e t i cc o m p a s sw h e nt h eg y r oc o m p a s si s n o tw o r i r a n g i n a d d i t i o n ，t h em a 印e t i cc o m p a s sc a np a s st h es i g n a lo f d i r e c t i o no fn a v i g a t i o nt or a d a ra n dt h e s v s t e mo fe l e c t r o n i cn a v i g a t i o n a lm a p ，c o n s t i t u t eam a g n e t i cn a v i g a t i o n a ls y s t e mw i t h0 t h e r n a v i g a t i o ne q u i p m e n t s t h e c h a r a c t e r so fh i g ha c c u r a c ya n dl o wc o s tm a k em a g n e t o r e s l s t l v e e l e c t r o n i cc o m p a s st ot h eb e s tc h o i c ef o ra u x i l i a r ye q u i p m e n t o fg y r oc o m p a s s o nt h eb a s i co fb r i e ft h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fm a g n e t i cc o m p a s sa n dt h em a g n e t l c m e a s u r i n gp r i n c i p l e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ed e s i g no f ad i g i t a le l e c t r o n i cc o m p a s s ，i t sc o e i sa v rs i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ，a n du s e dm a g n e t i cc o m p o n e n th m c l 0 2 2 ，w h i c hi s a t w o a x j sm a g n e t o r e s i s t i v es e n s o rp r o d u c t e db yt h ec o m p a n yo fh o n e yw e l l i nt h e m p a s ss y s t e m ，a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e ro fo u t p u ts i g n a lo fs e n s o r ，w ec h o o s ea d 7 7 0 5 a s t h ea c q u i s i t i o nm o d u l eo fo u t p u td a t ao fs e n s o r a d 7 7 0 5 ，p r o d u c t e db y a d ic o m p a n y ，h a sl6 d u b l ec h n ：1 i - e l sd i f ! 。r t i mi n p u t u s e dt h eu n ：q u e f u n c t i o no fs e ta n dr e s e t 。o f m a g n e t o r e s i s t i v es e n s o r ，w ee f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ee r r o r c a u s e db yc o m m o ns i g n a ls u c h 嬲 t e m p e r a t u r ed r i f ta n dc i r c u i tp a r a m e t e r sd r i f t t h r o u g hp r o g r a m i n g a v rs i n g l e 。c h i pm e g a 6 4 w er e a l i z e dd i g i t a lf i l t e r i n ga n dc o u r s ea n g l ec a l c u l a t i n g t h i sc o m p a s sd o e sn o to n l yd l s p l a y t h ec o u r s ea n g l ed a t ao nd i g i t a l ，b u ta l s oh a sar s 2 3 2s e r i a lp o r t ，w i c hc a n u s e dw i t ho t h e r n a v i g a t i o ne q u i p m e t n s ，s u c ha sr a d a ra n de l e c t r o n i cn a v i g a t i o nm a p d e v e l 0 1 ：i e dad i g i t a lc o m p a s ss y s t e mp r o t o t y p e ，a n dm a d e d e b u g g i n g a st h ee x p e r i m e n t s h o w t h ee l e c t r o n i cc o m p a s sc a l lr e a l i z et h ed y n a m i cm e a s u r e m e n t ，a n dm t h er a n g e0 t 0 - - 3 6 0 。t h ec o u r s ea n o em e a s u r e m e n ta c c u r a c yc a l lu pt o 1 5 。t h ed e s i g n e dd i g i t a l e l e c t r o n i cc o m p a s sh a st h ec h a r a t e ro fs m a l ls i z e 、s i m p l es t r u c t u r e 、q u i c ks t a r t 、1 0 wp o w e r c o n s u m p t i o n , a n ds o o n i nt h ef i e l do fa v i a t i o n 、m a r i n e 、v e h i c l en a v i g a t i o n 、a sw e l l a si na f c a s s u c ha sh a n d e l dd e v i c e s ，i th a saw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：g e o m a g n e t i cf i e l d ；e l e c t r o n i cc o m p a s s ；m a g n e t o r e s i s t i v es e n s o r ；h e a d i n g a n g l e 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 名弗 j e l 期： d 岬年b 月哆日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太鎏塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 占文工作成果时署名单位仍然为盘整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 日期：d 岬年占月哆日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导师签名： 刁翮狗k 日期：o 沁午6 月 多日 大连交通大学电话：8 4 1 0 6 5 8 7 大连交通大学研究生学院邮编：1 1 6 0 2 8 y is b d j t u e d u c n b i t 一一 第一章绪论 1 1 导航设备的发展背景 第一章绪论 ( 1 ) 导航设备的发展历程 最古老，最简单的导航方法是星历导航，人们通过观察天空上星星的位置变化来确 定自己的位置和前进的方向，最早的导航仪就是中国人发明的指南针，几个世纪以来已 经变得越来越精密了，并一直为人们广泛应用。最早的航海表是英国人j o h nh a r r i s o n 经 过4 7 年的艰苦劳动于1 7 6 1 年发明的。随后的两个世纪，人们依靠综合地利用星历知识、 指南针和航海表进行导航和定位l l j 。 进入2 0 世纪，随着社会的进步，人类活动领域的不断扩大，人们对导航设备提出 了越来越多的要求。当无法获得星历时，船员能够通过测量船体的速度并利用外推来确 定自己的位置，1 9 2 7 年c h a r l e sl i n d b e r g h 就是用该方法驾驶圣路易斯号从l o n gi s l a n d 到l eb o u r g e t 的。随后人们又发明了惯性导航技术，即通过对加速度计记录的船体加速 度进行积分来确定位置。虽然当代人们仍然沿用这项技术，但是其误差是随其使用时间 的延长而增长的，这项致命的缺点使它不能单一的作为导航方法来用。 现代电子技术的蓬勃发展为新导航技术的形成提供了坚实的理论和技术基础。地基 电子导航系统就是这个时代的产物，它主要由世界各地点建立的无线电发射参考站组 成。接收机通过接受参考站发射的无线电信号，并由此计算接收机到发射站的距离来确 定自己的位置。这项技术在第二次世界大战中被使用，战后发展很快。著名的系统有： l o r a n ( 远程无线电导航系统，简称导航系统) c d 、o m e g a ( 欧米茄导航系统) 、 v o r d m et a c a n ( 高频全向无线电信标测距装置塔康测距和测向导航系统) 等，它 们的导航原理大同小异，只是所用的无线电波段和适用的地域不同。但是这种方法只能 用来确定海平面和地平面上运动物体的水平位置，即只能进行二维定位。 随着1 9 5 7 年1 0 月，第一颗人造卫星的发射，使电子导航技术进入了一个崭新的时 代。第一代微型电子导航系统是美国海军武器实验室委托霍布金斯大学应用物理实验室 研制的海军导航卫星系统( n n s s - n a v en a v i g a t i o n s a t e l l i t es y s t e m ) ，也称“子午 ( t r a n s i t ) 卫星系统”；该系统于1 9 6 4 年建成，由美国军方启用。1 9 6 7 年解密提供民用， 自该系统投入民用以来，除了为远洋船舶提供导航定位外，还相继用于海上石油勘探、 钻井定位、海底电缆铺设、海洋调查与测绘、海岛联测以及大地控制网的建立等方面， 充分显示了卫星导航定位的潜力。1 9 7 3 年美国国防部批准其陆海空三军联合研制第二代 卫星导航系统授时与测距导航系统全球定位系统( n a v a t a r g p s - = - - - n a v i g a t i o n s y s t e mt i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) ，简称为全球定位系统( o p s ) 。g p s 是当前应用最为广泛的卫星导航定位系统，使用方便、成本低廉，其最新的实际定位精 大连交通大学工学硕上学位论文 度已经达到5 米以内【2 1 。但是g p s 系统存在易受干扰、动态环境中可靠性差以及数据输 出频率低等不足，尤其是在高楼林立的城市，或者车辆通过隧道及立交桥时，g p s 卫星 信号将很差甚至中断而无法定位。 导航设备发展到今天，虽然载惯性导航技术、多普勒导航、全球定位系统和各种无 线电导航系统在航海上得到了广泛的应用，但是根据各种原理制成的罗盘由于其独立性 强，成本低等优势，在各大船只中起着不可替代的作用。 ( 2 ) 罗盘的发展历史 一直以来，作为船舶导航的指向仪器主要有两种：磁罗盘和陀螺罗经。磁罗盘是一 种利用地磁场来测量方向的装置，我国古代的四大发明之一的指南针就是它的雏形，它 在我国的科技文化史上有着重要的地位。早在公元前3 0 0 年左右( 战国未年) ，就发现了 磁石和它的吸铁性。到公元5 0 年左右( 东汉末年) ，便确定了磁石的极性，研制出了世界 上最早的指南针司南。在北宋( 公元9 6 0 1 1 2 7 年) 初年，我国又创制了一种指南工具 指南龟，它是世界上第一具支撑式的指南工具。可惜的是当时它并没有用于航海指 向，而只用于幻术，但是这是后来出现的早罗盘的先声。指南龟结构示意图如图1 1 所 示。用木头雕成龟的形状，在中空的腹部嵌入磁体，将木龟放置在竹制的尖柱上，由于 地球磁场的作用，木龟的首尾自然指向南北。 舻钎糯。2 1 锯7 ，# i ? 饼 j i ；，拙“尹一| “# 。抟：”彬辫罐磷锋斯；! 霉嘞 木龟 图1 1 指南龟结构示意图 f i g1 1t h es t r u c t u r es c h e m a t i cd i a g r a mo f t r u f l eg u i d e 南宋( 公元1 1 2 7 1 2 7 9 年) 时，指南针被改进成为罗盘，使磁性指南工具更趋完善； 在曾三异的同话录最早提出罗盘的名称，书中说：“地螺或有子午正针，或用子午 丙壬间缝针。，这里的“地螺即地罗，是从古地盘向罗盘过渡的名称。盘的分度袭用古 地盘的二十四向，加上两方位之间的缝针，合而为四十八向。中国在南宋时期，就已经 2 第章绪论 把这种带有方位盘的指南针用于航海了。南宋咸淳年间( 公元1 2 6 5 1 2 7 4 年) 吴自牧在梦 梁录里记道：“风雨冥晦时，惟凭针盘而行，乃火长掌之，毫厘不取差误，盖一舟人 命所系也。”这是中国航海中使用罗盘的最早记载。 到了元代，元朝已经将指南针用于航海，称为“定盘针”，利用指南针定向导航，由 此发明了“针路”，即由罗盘测定的各个针位连接而成的航线图。与之相应的还出现了一 些航线以罗盘( 即指南浮针) 指示海路的著作，如温州人周达观在元贞元年( 1 2 9 5 ) 至大德 元年( 1 2 9 7 ) 间曾出使真腊( 今柬埔寨) ，他在游记真腊风土记中有针路的记载：“自温 卅i 开洋，行丁未针。历闽、广海外诸港口，过七洲洋又自真蒲行坤申针，过昆仑洋 入港。”1 2 世纪后罗盘传到阿拉伯，而后又传给欧洲人。到了1 3 世纪罗盘已得到广泛的 应用，为整个世界的航海事业的发展起了巨大的推动作用。 2 0 世纪以前，罗盘在技术上没有实质性的改善。此后到2 0 世纪初，人们对罗盘在 材料和机械结构方面进行了许多改进，使其性能有了很大的提高。其中最有代表性的是 机械式磁罗盘。直到现在，部队和野外仍在使用这种罗盘。 由于原理限制，机械式磁罗盘存在一些问题，即由于驾驶舱内不可避免的有许多铁磁 材料，它们对地磁场的影响使罗盘读数产生很大的误差。约在1 9 0 6 年，德国人 h a k a e m p f e 发明了陀螺罗盘。这种罗盘能感受地球的自转，不会受铁磁材料的影响， 由于陀螺罗盘固有的稳定性，其标度盘始终保持稳定，读数容易。陀螺罗盘的出现曾使 机械式罗盘在军用和大型商用船上失去了主要的地位，而只作为应急使用。只有小型商 用船出于经济方面的考虑仍在使用机械式磁罗盘。但是方向陀螺也有它的缺点，它不具 备自动寻北的功能，且长时间工作漂移比较大。 二战时期，远读磁罗盘的出现克服了驾驶舱内的铁磁材料对罗盘的影响。远读式磁 罗盘将机械式罗盘与电器装置组合在一起【3 1 ，通过感受磁针的位置获得电信号，并通过 随动系统带动指示器指示磁航向。有了这套系统，就可以将磁罗盘安装在远离铁磁材料 的地方，如翼尖、尾翼等处，从而解决了机械式磁罗盘读数误差大的问题。而后人们把 远读磁罗盘与方向陀螺仪结合组成了陀螺磁罗盘。陀螺磁罗盘与陀螺罗盘和远读磁罗盘 相比，优点明显。既有比较满意的精度，又有很好的稳定性，成为理想航向测量装置。 目前国产的多种型号的有人机均使用我国自行研制的陀螺磁罗盘。 随着信息产业、交通运输、电力电子技术、医疗仪器等的飞速发展和电子计算机应 用的普及，需用大量的传感器将需进行测量和控制的非电参量转换成可与计算机兼容的 信号，作为它们的输入信号，这就给磁传感器的快速发展提供了机会。微处理器技术的 飞速发展，特别是单片机的应用，使磁航向测量进入了新的发展时期，过去复杂的机械 机构和随动机构均能被微处理器的强大的功能所取代。 3 大连交通大学工学硕 学位论文 1 2 现代磁罗经的工作原理 目前应用测量地磁场原理制成的电子罗盘主要有三种：磁通门式电子罗盘、霍尔效 应式电子罗盘和磁阻效应式电子罗盘。 ( 1 ) 磁通门式磁场传感器。磁通门式磁敏传感器又称为磁饱和式磁敏传感器。它是 利用某些高导磁率的软磁性材料( 如坡莫合金) 作磁芯，以其在交变磁场作用下的磁饱和 特性及法拉第电磁感应原理研制成的测磁装置1 4 j 。从原理上讲，它通过测量线圈中磁通 量的变化未感知外界的磁场大小，为了达到较高的灵敏度，必须要增加线圈横截面积， 因而磁通l j 式电子罗盘不可避免的增大了体积和功耗，处理电路也会相对复杂，基于磁 通门式磁场传感器的罗盘成本会很高。 ( 2 ) 霍尔效应磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔( a h h a l l ， 1 8 5 5 - - 1 9 3 8 ) 于1 8 7 9 年在研究金属的导电机构时发现的【5 1 。后来发现半导体、导电流体 等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件， 此类传感器的优点是重量轻、功耗和体积小、成本低、接口电路简单，特别适用于强磁 场的测量，其缺点是灵敏度低、噪声大、温度特性差。霍尔效应的工作原理如图1 2 所 示，当在长方形半导体材料x 方向通以直流电流l ，厚度方向施加磁场b 时，则y 方向 d 上会产生电位差u h ( 霍尔电压) ，用u h 一挚i b 表示，其中为霍尔系数，这种现象称 a 之为霍尔效应。基于霍尔效应可以测量外界磁场，虽然有些高灵敏度的霍尔磁场传感器 通过采取聚磁措施也可以测量地球磁场，但目前只应用在对精度要求不高的场合，高性 能的磁航向系统一般不予采用。 图1 2 霍尔效应原理图 f i g1 2t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fh a l le f f e c t 4 x 第一章绪论 ( 3 ) 磁阻效应磁场传感器 铁、钻、镍及其合金材料具有各向异性，这些磁性材料在弱磁场下的电阻变化率较 大，故较适合于在弱磁场条件下使用。对磁性材料进行磁化时，其磁化方向取决于材料 的易磁化轴、材料的形状和磁化磁场的方向。如图1 3 所示，当给磁性材料通电流i 时， 材料的电阻取决于电流的方向与磁化方向的夹角0 。如果给材料施加一个磁场m ( 被测磁 场) ，就会使原来的磁化方向转动：若磁化方向转向垂直于电流的方向，即e 角增大， 电阻将减小；如果磁化方向转向平行于电流的方向，即0 角减小，电阻将增大，电流方 向与电阻值近似成为c o s 2 0 关系或近似成直线，这就是磁阻效应1 6 i ( m a g n e t o r e s i s t a n c e e f f e c t s ) 。 图1 3 磁阻效应原理 f i g 1 3t h ep r i n c i p l eo fm a g n e t o r e s i s t i v ee f f e c t 世界上存在不同种类的磁阻效应，本课题所采用的磁阻传感器是各向异性磁阻 ( a m ra n i s o t r o p yo fm a g n e t or e s i s t a n c e ) 效应的传感器。此效应发生在包括透磁合金在内的 铁质材料中，透磁合金是镍与铁的合金，早在2 0 世纪早期就被用作变压器设计中的传 感材料。 这种磁阻传感器在一定范围内输出电压与被测磁场近似成正比，其灵敏度和线性度 等方面的性能明显优于霍尔器件，同时体积小、功耗低、抗干扰能力强、温度特性好、 易于与数字电路匹配。众所周知，迟滞误差和零点温度漂移是影响传感器性能及稳定性 的重要因素，同时由于地磁场强度仅为0 5 0 6 9 a u s s ，电子罗盘工作时很容易受到外界 非地磁场的噪声干扰。美国h o n e y w e l l 公司在这方面做出了巨大贡献，h o n e y w e l l 传感 器通过内置的电流带对传感器进行交替正向磁化与反向磁化，不但可以消除外界强磁场 对输出灵敏度的影响，还可以消除迟滞误差和零点温度漂移，这项技术是该公司的专利。 5 大连交通大学工学硕士学位论文 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，以至于它虽然比半导体磁敏电阻、霍尔器件等出现的晚很多， 但其迅速的发展，在航空、航天、航海、工业、医疗仪器等诸多领域有着广泛的应用前 景。 还有一类磁阻效应称为巨磁阻效应( g m r ) ，是由法国的m n b a i b i c h 等人在1 9 8 8 年 发现的，它基于电子通过数层叠层中非常薄的铁磁层和非磁性层( 2 5 5 0 埃) 之间的界面散 射。这是由于磁阻效应与上述a m r 效应相比显得大而如此命名。当两个相邻的铁磁层 有反向磁化强度时，电阻要高于它们在同一方向上的磁化强度矢量。但是g m r 效应需 要工作在高强度的磁场并伴有高分贝噪声，这使得它不能用于测量弱磁场的电子罗盘的 应用【刀。 综上所述，本系统采用磁阻传感器作为地磁场的测量元件，选用这类磁阻传感器最 大的好处是可以应用微处理器搭建硬件电路，利用微处理器的运算能力处理传感器信息 并通过软件进行人工管理和调节，真正做到电子罗盘的集成化和智能化。 1 3 论文的主要研究内容 本文采用各向异性磁阻传感器a m r ( a n i s o t r o p i cm a g n e t or e s i s t i v e ) 结合高性能、高 速度集成数据采集处理芯片，研制出了一个低成本、高精度的电子罗盘。 本论文完成的主要工作如下： ( 1 ) 通过查阅相关资料，了解磁罗盘的现状及其集成化、智能化的发展方向；通过 分析磁阻效应，了解磁阻传感器的工作原理及其输出信号特征，明确磁阻电子罗盘利用 地球磁场测量载体方向的模型。 ( 2 ) 从体积、成本及使用范围方面考虑，提出研制磁阻电子罗盘系统方案，确定系 统的设计指标；结合系统的预计指标，确定信号的获取单元、采集单元以及数据处理单 元：根据传感器输出信号特性，合理选择信号放大方法；充分利用单片机的其它片上资 源，实现数码管显示、r s 4 2 2 串口以及a d l 0 特殊串行通信功能。 ( 3 ) 充分利用硬件电路相关知识，进行磁阻电子罗盘的硬件原理图设计、p c b 制板、 焊接以及硬件的调试。 ( 4 ) 学习并掌握a v r m e g a 6 4 单片机上编程资源及相关的使用方法，比较各种编译环 境的优缺点，实现在开发环境中编写程序；结合a v r s t u d i 0 4 0 及j t a g 仿真器对罗盘样 机进行硬件仿真，完成磁阻电子罗盘的软硬件联合调试，实现各项功能。 ( 5 ) 分析影响磁阻电子罗盘稳定性因素，尝试对a d 采样数据作滤波处理，分析集 中滤波方案，最终选定一种方式进行滤波；分析影响磁阻电子罗盘精度的误差来源，做 出相应的补偿方案；合理选择处理航向角计算的算法，以提高处理速度。 6 第一章绪论 ( 6 ) 综合分析后提出进一步提高航向角精度和改善系统性能的措施。争取本设计所研 制的磁阻电子罗盘原理样机能在0 0 - 3 6 0 。范围显示航向，精度达到1 5 。 本章小结 本章介绍了各种导航设备的发展历史，以及罗盘作为一种重要的导航设备的发展状 况。调研了各种电子罗盘的工作原理，总结出研究一种体积小，成本低，集成度高的电 子罗盘的必要性。 7 垒垩塞堡查兰三兰堡圭兰兰兰三 第二章电子罗盘测量原理 2 1 地磁航向测量原理 众所周知，在我们的地球表面空间分布着磁场强度大约为0 5 0 6 g a u s s ，方向总 是指向磁北，因此地球表面的任意一点的磁场都有一个指向磁北的磁场分量。通过如图 21 所示的模型可以看到，在北半球，地球磁场向下指向北极；在赤道，地球磁场平行 于地球表面，同时也指向北极；在南半球，向上指向北极。磁传感器正是利用地球磁场 的这一特点来确定载体相对于磁北的方位。 谶 、 图2 1 地球磁场的分布图 f i 9 2 1 t h ed i s t r i b u t i o n o f g e o m a g n e t i c f i e l d 在载悴坐杯系瞰f ，磁航向d 定义为载体纵轴( 载体前进的方向) 在水平面上的投影 与当地子午线( 磁北) 的夹角。当载体的前进方向和磁北重台时，磁航向角为旷，按照顺 时针方向，磁航向角a 用0 。到3 6 0 。之间的角度值来表示。载体坐标系的三个相互垂直 的轴，分别称为o x 轴、o y 轴、0 z 轴。如图2 2 所示，沿三个相互垂直的轴分别安装 三个测量磁场分量的磁传感器，分别用来测量地磁场在o x 、0 y 和o z 上的磁场分量 h x 、h v 、h z 。 f h ，一h os i n 4 , s i n a h 。一h o s i n c o s a( 2 1 ) j h ：- h o c o s 第二章电子罗盘测量原理 z 轴 轴 x 轴 图2 2 地球磁场的分解图 f i g 2 2t h ed e c o m p o s i t i o nm a p o fg e o m a g n e t i cf i e l d 通过测量坐标系中x 、y 、z 三个方向上的磁场可以确定载体的方位角及倾斜状态， 由于本设计系统主要针对船舶等平面运行设备，所以只考虑水平磁场分量h ，于是公式 简化为： h , = h s i n c t r ( 2 2 ) 磁航向可以由下式计算： 一一n 亿3 ， 为了使t 锄( ) 函数有意义，在坐标轴上和不同的象限内口的值分别【9 i 女1 1 - - f ： 当h x o ，h y o ，h y o 时， 当h x = 0 ，h y 0 时，口t2 7 0 0 ； 一6 0 0 一一阱 9 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) y j p r q 一以 髟一以 ，i一， r、，叫，叫 啪 毛吾 l 耄 砌 矿 l 大连交通大学i 学顽士学位论文 实际上，水平分量在o x 、o y 上的值h 。和h ，能够应用传感器直接测量得出，但 是。也必须注意，地球上的南北两极和地磁场的南北两极并不重台，存在一个夹角，称 为磁偏角，而地球上的任一点的磁偏角是一个常量。如果知道了磁航向角，再加上或者 减去一个常值的磁偏角就可以得到当地的真航向角。 2 2 霍尼韦尔公司的磁阻传惑器 22 1 磁阻传感器结构与组成 本设计选用的磁阻传感器为h o n e y w e l l 公司的h m c 系列磁阻传感器1 0 2 2 ，其内部 结构如图23 所示，第1 部分是传感器完成磁场测量的重要部分：2 个惠斯通电桥，每 个电桥由4 个长而薄的玻莫合金( 一种铁镍合金) 的磁阻敏感元件构成0 0 o 第2 部分是铝 制偏黄电流带，它可以用柬补偿磁场环境造成的误差，对磁罗盘进行标定。第3 部分是 铝制胃位，复位电流带，它可以将扰乱后的磁场复位，以提高灵敏度。 憾 “ - _ 图2 3 磁阻传感器1 0 2 2 内部结构 f 唔2 3 t h e i n t e r n a ls t m c t u r c o f m a g n c t o r e s i s t i s e n s o r l 0 2 2 4 个磁阻敏感元件作为磁阻臂组成惠斯通电桥。在外磁场的作用下，磁阻的变化引 起输出电压的变化其变化在磁阻传感器线性区域与外加磁场成正比。如图2 4 所示，4 个桥臂电阻的阻值均为r ，外加磁场m ，输入电压为v 棚ta 在磁场的作用下电阻r i 和 r 3 的阻值减小r ，而码和r 4 的阻值增大a r 则输出电压的变化1 1 1 l 为： a 匕- f 警一等p - a 。r e 。 仁刁 h m c l 0 2 2 内部集成了两个惠斯通电桥形成两路输出，共有1 6 引脚，s o i c 封装， 长l l m m ，宽6 r a m ，高1 5 m m 。 第二章电了罗盘测量原理 图2 4 磁阻传感器惠斯通电桥 f i g 2 4 t h ew h e a t s t o n eb r i d g eo fm a g n e t o r e s i s t i v es e n s o r 如图2 5 所示，图中箭头指示外加磁场的方向，在s e t ( 置位) 脉冲后会产生一个正输 出电压；测量范围为+ 2 g a u s s ( 地磁场通常为0 5 g o 6 g ，在其测量范围之内) ；工作 电压为3 1 2 v ，可单电源工作；输出信号为弱电压值，在桥压为5 v 时，在线性工作区 间输出电压范围为2 0 m v - - 1 5 m v ，见图2 7 。通常地球的磁场强度在0 5 g - - 一0 6 g ( g a u s s ) 之间，两极地区略低，赤道附近略强。经实际测量，h m c l 0 2 2 在这一磁场范围内有很 好的线性输出，即传感器的输出可以近似认为与磁场强度成正比。图2 7 为磁阻传感器 完整的输入输出曲线，可见在外部磁场超过+ 1 0 g a u s s 时，输出不再是线性的。因此，在 实际测量时，要尽量保证磁阻传感器的外部磁场强度处于线性区间之内。否则，将不能 正确测量到相应的磁场信号1 1 引。 o f f s e t - ( a ) i o u t + ( a ) 2 v b r i d g e ( a )3 o u t - ( a ) 4 o u t - ( b )5 v b r i d g e ( b ) 6 g n d ( a ) 7 s r + ( b ) 8 d i e a 日 d i e b 田 1 6o f f s e t + ( a ) 1 5 s r - ( a ) 1 4s r + ( a ) 1 3g n d 【b ) 1 2 o u t + ( b ) 1l o f f s e t - ( b ) 1 0o f f s e t + ( b ) 9s r - o ) 图2 5h m c l 0 2 2 引脚图 f i g 2 5t h ep i c t u r eo fh m c l 0 2 2 b a s ep i n 1 5 l o ，、 5 c 邕 0 卸 罨- 5 1 0 - 1 5 2 0 s 2 0 昌 髻 o j 了 解 - 2 0 大连交通大学工学硕士学位论文 、 - 、 1 0 2 1 1 0 2 2 ， - - ， v b = 5 v ， - 一置位 、 、 一复位 一。2 次扫描 、 ， ， 、 2 0 一，、 - 1 磁场( 0 8 图2 6 在置位或复位后传感器输出与磁场强度曲线 2 f i g 2 6s e n s o ro u t p u tv sm a g n e t i cf i e l da f t e rb e i n gs e to rr e s e t 1 0 2 1 1 0 2 2 。、 v b =5 v 1 |、 f ， 。7 ， 2 次扫j刍 2 0 2 0- 1 51 05051 01 52 0 磁场( o e ) 图2 7 输出在磁场强度范围+ _ 2 0 0 e 内可重复时传感器输出对磁场强度曲线 f i g 2 7s e n s o ro u t p u tv sm a g n e t i cf i e l do u t p u ti sr e p e a t a b l ei nf i e l dr a n g e _ + 2 0 0 e 2 2 2 偏置电流带 霍尼韦尔的磁阻传感器内置两个电流带：偏置电流带和置位复位电流带。 1 2 第二章电了罗盘测量原理 当直流电流在偏置电流带内通过时偏置电流带可以有多种功能： ( 1 ) 可以平衡外部不需要的磁场： ( 2 ) 可以平衡电桥偏置电压； ( 3 ) 可以结合电桥输出消除闭环回路内的磁场；。 ( 4 ) 可以用来校准磁阻电桥增益。 特定大小的电流流过偏置电流带时( 电流方向从o f f s e t - - 0o f f s e t + ) ，偏置电流 带将产生一个与被测磁场方向相反的磁场，这个磁场可以消除任何环境磁场。偏置电流 带每通过5 0 m a 电流可提供1 0 e 的磁场( 空气中l g a u s s - l o e ) 。 应用以上偏置电流带的特性，偏置带可以用作闭环电路内的反馈元件。此种应用中， 将电桥放大器的输出端连接到偏置带的驱动电流源上，利用环路内的高增益和负反馈使 电桥的输出为零。无论测量什么样的磁场，通过偏置电流带的电流都会将之消除，电桥 始终看到一个零磁场条件。这种方法具有很好的线性度和温度特性。用来消除外部磁场 的电流是此磁场的一个直接度量，而且可以直接转换成磁场值。 同时，偏置电流带还可以用来自动校准磁阻电桥，它对偶尔校对电桥增益或在大温 度摆动范围内作调整是非常有用的。可以在上电或正常操作期间的任何时候进行。其原 理是：沿一线路取两点，并确定该线的斜度，即增益。当电桥正在测量稳定的外部磁场 时，输出将保持恒定。记录稳定磁场的读数，记为h 1 。此时施加特定电流通过偏置电 流带，然后记录该读数，记为h 2 。导致磁阻传感器测量的磁场的变化称之为施加磁场 增量( a h a ) ，磁阻传感器增益可如下计算：g a i n = ( h 2 h i ) a h a 。 除了以上所述外，偏置电流带还有许多其它用途，关键是外部环境磁场和偏置磁场 可以简单地相互叠加，被磁阻传感器作为单一磁场进行测量【1 3 】。 2 2 3 复位置位电流带 h m c l 0 2 2 传感器内部除了用来产生偏置磁场来补偿干扰磁场的偏置电流带以外； 另一个就是用来为传感器置位或复位的磁_ 歼关【1 4 l 。这种磁开关技术是h o n e y w e l l 公司的 专利，它取代了笨重的线圈，集成在了芯片内部。只要在芯片的输出引脚s r + 与s r 之 间加上4 a ，宽度为2 m s 的脉冲电流，就能将传感器置位复位。 置位复位电流带具有以下特性： ( 1 ) 强迫传感器以高灵敏度模式工作。 ( 2 ) 翻转电桥输出的极性。 ( 3 ) 正常工作中进行循环，以提高线性度、减小垂直轴的影响和温度影响。 大多数弱磁传感器受到大的磁场干扰( 大于4 - 2 0 9 u a s s ) 的影响时，会导致输出信号的 衰减。为了减小这种影响，可以在电桥上应用磁开关切换技术，消除过去磁历史的影响。 置位复位带的作用就是把磁阻传感器恢复到磁场测量的高灵敏度状态，可以将大电流脉 1 3 大连交通大学t 学硕上学位论文 冲通过置位复位电流带来实现。一旦传感器被置位或复位，便可实现低噪声和高灵敏度 地磁场测量。 2 8 干扰磁场中磁区域分布 f i g2 8t h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t c ir e g i o n si nd i s t u r b e dm a g n e i t cf i e l d 传感器内部的n i f e ( 坡莫合金材料) 可以看成由许多微小的磁单元，当受外部强磁场 干扰后众多磁单元的磁场排列会成杂乱无章的状态，如图2 8 所示：当大的正向脉冲电 流通过置位复位电流带时，复位置位电流带将产生一个强磁场，此磁场可以重新将传感 器元件的磁区域对准到正的方向上，如图2 9 ( a ) 所示，这样就保证了高灵敏度和可重复 的读数。反向脉冲可以翻转磁区域的方向，并改变传感器输出的极性，如图2 9 ( b ) 所示。 壁垡 - 里l 一 r 。一 2 9 ( a ) 置位脉冲下磁区域分布 f i g2 9 ( a ) t h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t c i