磁阻传感器在车辆航位推算系统中的应用研究

1、第 24卷 增刊 2005年 9月国 外 电 子 测 量 技 术Foreign El ect ronic Mea surement TechnologyVol. 24, Suppl.Sep. , 2005作者简介 邓 滔 ( , 女 , 湖南省长沙市人 , 硕士研究生 , 湖南大学电气与信息工程学院 , 研究方向 计算机测控系统。 徐 勇 (5 , 男 , 副教授 , 湖南大学电气与信息工程学院 , 研究方向 高电压技术、 计算机测控系统。研究与设计磁 阻 传 感 器 在 车 辆 航 位 推 算 系 统 中 的 应 用 研 究邓 滔 徐 勇 潘成源 李 鑫(湖南大学电气与信息工程学院 长沙 4

2、10082摘 要 :与陀螺仪相比 , 在车辆航位推算系统中采用磁阻传感器具有较高的性价比 。 本文阐述了航位推算以及磁阻传感器的工作原理 , 详细分析了磁阻传感器的误差 , 提出了相应的误差修正方法 , 给 出了一个用于航向角推算的实用电路 。关键词 :磁阻传感器 航位推算 HMC1022Application of Magnetic Sensor to Dea d Reckoning f or V ehicleDeng Tao Xu Y ong Pa n Chenyuan Li X i n(Col lege of Elect ri cal An d In f ormati on Engi n

3、eeri n g Hunan Uni versi t y , chan gsha , 410082Abst ract :In dead reckoni ng for ve hicles , t he magnetic sensor i s bet t er t ha n gyroscope i n perfor 2ma nce a nd p rice ratio. Thi s paper int roduces t he pri nciple of magnetic sensor and dead reckoning , anal yzes magnetic se nsor s er ror

4、a nd correspondi ng compe nsat ion met hod. Finall y , a ci rcuit of dead reckoning for vehicle is p re sent ed.K eyw ords :magnetic sensor ,dea d reckoning , HMC1022.0 引 言 航位推算是最常用的车辆定位技术 , 它利用方 位传感器和距离传感器提供的方位角和位移增量推 算出车辆的位置 。 距离传感器通常采用里程计传感 器 , 方位传感器直接影响航位推算系统的精度和成 本 。 目前 , 用于航位推算系统的方向传感器有陀螺 仪 、

5、磁阻传感器等 。陀螺仪寻北 精度高 , 但价格昂 贵 , 体积大 , 对环境要求高 (要求载体静止 、 无振动 , 且误差随时间积累 , 不宜于低成本要求的车辆导航 。 磁阻传感器体积小 、 功耗低、 易于安装 、 温度特性好 、 实时性和抗干扰能力强 、 误差不随时间积累 , 在车辆 航位推算系统中采用磁阻传感器具有较高的性价比 。 本文简要介绍磁阻传感器的工作原理 , 分析磁 阻传感器的误差因素 , 提出相应的误差修正方法 , 并 给出霍尼韦尔公司的磁阻传感器 HMC1022在车辆 航位推算系统中的实用电路 。1 磁阻传感器的原理 磁阻传感器利用各向异性磁阻效应原理测量地磁场 。 各向异性

6、磁电效应是指对于强磁性金属 (铁 、钴、 镍等及其合金 , 若外加磁场平行于磁体内部磁 化方向时 , 其电阻值不变 ; 若外加磁场方向与磁体内 部磁化方向有偏离 , 则其阻值变低 。 沿一条长而薄 的铁磁合金带的长度方向施加一个电流 , 在垂直于 电流的方向施加一个磁场 M , 则导致两端合金带的 内磁化方向朝着电流方向转动 , 合金带的阻值发生 变化 , 变化值取决于内外磁场合成的磁化方向与电 流流向的夹角(见图 1 。 角减小 , 电阻增大 ; 角 增大 , 电阻减小 。 坡莫合金 Fe 20Ni 80在弱磁场下 的 电阻变化率较大 , 适合于弱磁场条件下使用 。利用 薄膜加工技术在硅片上

7、蒸涂坡莫合金薄膜经微细加 工技术可制成如图 2所示的传感器探头 1,2。 磁阻传感器由四个磁阻组成了惠斯登电桥 (见 图 2 。电桥加电 V b 后 , 电阻中有电流流过 , 若在电 桥上施加一个外加磁场 , 使得两个相对放置的电阻 的磁化方向朝着电流方向转动 , 引起电阻阻值增加 ; 另外两相对放置的电阻的磁化方向背向电流转动 , 引起电阻阻值减少 。 在线性区域输出和外加磁场成:1970-:194-:2005年增刊 邓 滔 等 :磁阻传感器在车辆航位推算系统中的应用研究 15 图 1磁阻传感器正比 , V o ut =(R/R V。 图 2磁阻传感器工作原理 磁阻传感器利用磁原理测量地磁场

8、沿载体坐标 系分量 , 通过数值计算与误差校正 , 准确地得出载体 的航向角。 图 3是两轴磁阻传感器测量航向角原理 框图。将两轴磁阻传感器沿车辆的东 、 北向坐标轴 安装 , 磁阻传感器输出的两个方向的电压信号经过 放大、 A/D 转换后 , 最后送入处理器计算出航向角。 图 3航向角测量原理框图 已知地磁场的水平分量 H 0与地球表面平行 , 指 向地磁北极 。 令 H X 和 H Y 分别为东 、 北向磁阻传感 器的输出 , 则有H X =H 0si n H Y =H 0cos (1于是 , 航向角可由下式得出 :=a rct an H XH Y(2 由于正切函数具有多值性 , 需要用下

9、列方程式 计算航向角 := 90° (H Y =0, H X >0 270° (H Y =0,H X <0180°-a rctan(H X /H Y ×(180/ (H Y <0 (X Y ×( (Y >, X < 36°(X Y ×( (Y >, X > (32 磁阻传感器误差分析及补偿 航向角精度主要受以下几个因素的影响 6:(1 磁阻传感器的非线性误差、 磁滞误差 、 重复 性误差 、 噪声误差 ;(2环境温度影响 ;(3 传感器周围铁磁性物质的干扰 ; (4 A/D 转换器的

10、分辨率 ;(5 地球磁场的变化 。 2. 1磁阻传感器参数误差 欲使总体 航向精度 达到 1°, 磁阻传 感器的 噪 声、 线性度 、 磁滞 、 重复性误差造成的影响应不超过 0. 5°。 磁阻传感器的增益 误差和偏移 , 在硬磁校 正 时可以被补偿掉 , 不必考虑 。 表 1给出了霍尼韦尔 公司的磁阻 传感器 HMC1022的 噪声 、 线性 度、 磁滞、 重复性等参数的误差值 , 以及这些参数引起的磁 场误差和最终导致的航向误差。由表 1中可知 , 磁 阻传感器若能提供小于 0. 925m G 的磁场误差 , 对应 的航向误差为 0. 25°, 可以满足系统的

11、要求 。表 1 磁阻传感器参数误差(85G 85uGs<0. 01°线性度 0. 05%FS0. 2m G s 0. 06°磁滞 0. 08%FS0. 32m G s 0. 09°重复性0. 08%FS0. 32m G s 0. 09°总体误差值0.925m Gs0. 25°2. 2环境温度影响 磁阻传感器的温度系数影响航 向角的准确 测 量 , 产生温度漂移 , 导致灵敏度温度系数的变化。 温漂 是 由每 个 传 感 器的 电 阻值 引 起 的 。在 HMC1022中设计有偏置电流带 O FF +/OF F -, 可 以消 除温漂 。通

12、过一 个交流耦合 驱动器 , 在 OFF+/O FF -电流带上产生一个双向脉冲 , 双向脉冲引 起的磁阻传感器的输出是对称的 , 有一个相同的截 距 , 可以通过运算消除掉 。 参见图 4, 首先对电流带 施加一置位脉冲 , 测量此时的磁场强度 B 和输出电 压 V set , 然后对电流带施加一复位脉冲 , 测量此时的 输出电压 V reset , 则有V =S ×B +V ( V =S ×B +V (5由式 ( 、 式 (5 相减 , 可得-arcta n H /H 180/H 0H 00-arcta n H /H 180/H 0H 0se t o s 4re se

13、t -os416 国 外 电 子 测 量 技 术 第 24卷 V set -V reset =2S ×B(6式中 ,S 为磁阻传感器的灵敏度 , 单位为 m V/Gs。 图 4置位 /复位脉冲对传感器的输出影响 实践证明 , 利用这种双向脉冲方法 , 可使磁阻传 感器的输出的温度影响控制在 0. 01%/ 范围内 , 温度变化 50 , 航向角误差小于 0. 29°。 磁阻传感器在 X 轴和 Y 轴方向的输出增益变 化与温度变 化引 起的灵敏度温度系数的 变化成正 比 , 通过电桥 , 温度影响可基本抵消 。 2. 3 附近的铁质材料 铁磁物质干扰磁阻传感器 。 其干扰可看

14、作地球 磁场中叠加了一个固定磁场 。 这种叠加磁场的干扰 可通过校正实现补偿 。 补偿前 , 将磁阻传感器在没 有干扰的环境下旋转一周 , 测量传感器的输出 , 获得 沿圆周运动的传感器 X 轴 、 Y 轴的 磁场变化分量 , 可以得近似圆形的曲线 , 如图 5所示 。该圆以坐标 原点为圆心 ,X 轴 、 Y 轴分别对应磁阻传感器的东西 轴线、 南北轴线 。 若安装在车辆上的磁阻传感器受到铁磁物质干 扰 , 将该车辆在水平面上环形开动一周 , 此时传感器 输出结果绘制成的曲线不再是一个圆 , 而是椭圆 , 且 中心偏离坐标原点 , 如图 6所示 。 找出磁阻传感器 X 、 Y 轴输出的最大和最

15、小值 , 有 :X o f f =X max -X min2-X max×MA X 1or Y max-Y minX max -X min(7Y o f f =Y max -Y min2-Y max×M A X 1orX max -X minY max -Y min(8式中 ,X max 、 X min 、 Y max 、 Y min 分别 为磁阻传感器 X 轴 和 Y 轴输出的最大和最小值 ; X of f 为 X 轴零偏移值 ; Y o ff 为 Y 轴零偏移值 。 修正后的结果为 X =M X Y x Y X x X ×X +X f f (图 5无环境磁场干

16、扰的测量结果Y h =M A X 1orY max -X minY max -Y min×Y H +Y of f (10 式中 , X H 、 Y H 分别为磁阻传感器 X 轴和 Y 轴输 出的当前读数 ; X h 、 Y h 为修正后的数值 。 系统每秒钟采集 20组磁阻传感器的输出数据 。 进行补偿校正时 , 要求系统在水平上匀速旋转一周 或两周 。 若系统旋转一周的时间为 4s , 则系统在汽 车环行一周的时间内可采集 80组数据 , 每组数据的 相位差为 360°/80=415°。 设圆的半径为 R , 则两组 数据长度相差 R (1-co s415

17、76; 01003R 。因此 , 若 系统旋转一周的时间大于 4s , 可保证相对误差小于 3/1000。 2. 4A/D 转换的分辨率 车辆航位推算系统要求定位精确到 1°, 分辨率 达到 0. 1°。 已知地磁场在 X -Y 水平面上 , 磁场分 量的典型值为 300毫高斯 。根据式 (2, 有 a rct an (H X /H Y =011°, 则 H X /H Y 1/573, 即地磁场 在 X 、 Y 方向的输出比率为 1/573时 , 导致航向角的变 化为 0. 1°。 A/D 转换后的数字量的最高位为符 号 位 ,A/D 转换器至少应为 1

18、2位。 2. 5地球磁场的变化地球 的两 磁极 的连 线和 地 球自 转 轴之 间 有 11. 5o 的夹角 (即磁偏角 , 而且 在地球的不同地方 , 磁北极和地理北极方向之间 , 都有不同的角度差值 , 此差值最大可达 25o 。 因此 , 在航向角计算中 , 需要 对磁偏角进行修正 。 磁偏角可通过全球的地磁偏角 地图或 GPS 数据中得到 。 2. 6磁阻传感器的安装 航向角的精度很大程度依赖于磁阻传感器的安 装。 磁阻传感 器应远离磁源 , 大大降低 永磁体 、 马 达、 大电流 、 磁金属等外来磁源的影响 , 且通过校正 对干扰影响进行补偿 。 但磁金属运动、 车内电子系:h A

19、1o rm a -minm a -minH o 92005年增刊 邓 滔 等 :磁阻传感器在车辆航位推算系统中的应用研究 17 图 M及其外围电路原理图图 6干扰环境下车辆环行一周测量结果 统电流变 化 、 以 及汽 车马达 与喇叭 等产生 的随 机 磁场影响很难补偿 。减少随机变化磁场干 扰的最 好办法空 间隔离 距离 , 让磁 阻传感 器远离 汽车 线 束 、 电动机类等车用电 子设备 。 实践 证明 , 传感器 安装于顶盖 、 仪表板上时 , 干扰所造成的影 响非常 小 , 可以忽略 。3磁阻传感器外围电路设计 作者设计的车辆航位推算系统采用了霍尼韦尔 公司的磁阻传感器 HMC10227

20、, 航位推算系统的 处理器芯片使用了摩托罗拉公司的 32位嵌入式处 理器芯片 MC9328MXL 8。 HMC1022是二轴磁阻 传感器 , 可以 输出前 后 、 左右方 向的方 位信 息 , 输 出数据经放大器放大和模数转换后 , 经 SPI 串行通 信送到处理器 计算出航向 角 。其电路原 理如图 7所示 。 磁阻传感器在制造过程中选定薄膜长度的方向 为轴向 , 当坡莫合金薄膜在受到外部强磁场干扰时 (大于 20高斯 , 薄膜磁化极性会受到破坏 , 传感器 特性也会改变 。 HMC1022芯片上有两个阻值为 7.7(典型值 置位 /复位电流带 , 对坡莫合金薄膜 施 加 0. 54安 、

21、2微秒的脉冲电流 , 通过这一瞬态的 强恢复磁场来恢复 或保持传感器特性 。参见图 7, 555定时器大约每 10分钟产生 1秒宽度的低电 平时钟信号 , 该时钟信号控制 CMOS 开关管 IR F7105的导通和截止 , 从 IR F7105的 3脚接的 1F 电容处 产生大于 0. 5安的脉冲电流完成传感器磁场复位 。 地磁场的变化 引起 磁阻传感器的 输出电压变 化 , HMC1022的 2、 4引脚输出地磁在水平坐标 (X -Y 中前后方向 (Y 轴 引起的 变化电压 , 5、 12引 脚输出地磁在水平坐标中左右 方向 (X 轴 引起的 变化电压 。考虑 到环境 干扰 的影响 , 系

22、统测 量的 磁场范围考虑为 ±800m Gs 。 HMC1022的灵敏度 为 0. 8至 1. 25mV/(V. G s , 磁阻传感器的供电电 压为 5V , 那么任一电桥上最大可能的 地磁激励可 能为±018(Gs ×1125(m V/V Gs ×5(V =±5mV必须将该电压信号放大至利于 ADC 准确采样的电压范围 。 A/D 转换器使用的 TI 公司的 TL C2543模 /数 转换器为 12位 ADC , 采用开关电容逐次逼近技 术 完成 模 数 转 换 过 程 , 可 提 供 最 大 采 样 速 率 为66ksp s , 转换时间

23、为 10s , 供电电流仅需 1mA 。 TL C2543中的 S PI 引脚 电平 为 5V , 而 MC9328MX L 的输 入 输 出 脚 电 平 为 3V 。 用 MAX1840与 MAX8867组合 , 可 以实 现两 接口 实 现 高 -低电平和低 -高电平 混 合转换 。 S PI1接口配置为主 机模 式 , TL C2543的片 选 信 号可由 MC9328MX L 的 G PIO 端口 PA11脚提供 。 结束语在 车 辆 航 位推 算 系 统 中 , 磁阻 传感 器固 定安 装 于7H C1022418 国 外 电 子 测 量 技 术 第 24卷汽车内 , 它的安装位置直

24、接影响航向角的测量准确 度 。 本文在介绍磁阻传感器工作原理的基础上 , 全 面分析了磁阻传感器的误差因素 , 提出了相应的误 差修正办法 , 但对动态磁干扰 (如来往车辆 、 高压线 等 的处理还有待探究 。 磁阻传感器具有体积小 、 成本低 、 灵敏度高 、 抗 电磁噪声和干扰能力强 、 可靠性高以及易于安装等 特性 , 将在低成本车辆组合导航的航位推算系统中 获得越来越广泛的应用 。参考文献1李秉玺 , 赵 忠 , 孙照鑫 . 磁阻传感器的捷联式磁航向仪 及误差补偿 . 传感器技术学报 ,2003,16(2:190-194 2Le nz J E. A Review of Magnetic

25、 Senso rs. Proceedi ngs of the I EEE ,1990,78(6:973-9893Honeywell company. S ET/RESET Function f or Mag 2 netic Sensor s. http :/honeywell 2sensor. com. cn4Michael J ,Car us o. 磁阻传感器在导航系统中的应用 . http :/hone ywell 2sensor. com. cn5赵亦林 . 车辆定位与导航系统 . 北京 :电子工业出版社 , 19996Honeywell compa ny. 低价位的罗盘系统的磁传感器的

26、 应用 . http :/ho neywell 2se ns o r. com. cn7Honeywell company. 12and 22Axis Ma gnetic Sensors. http :/hone ywell 2sensor. com. cn8王祖林等 . 新一代嵌入式微处理器龙珠 i. M X 结构及 应用基础 . 北京 :北京航空航天大学出版社 ,20043333333333333333333333333333333333333333333333高 速 串 行 数 据 测 量 仪 器 纷 纷 亮 相 数据传 输方 式经历从串行发展到并 行的循环 后 , 近几年又从并行趋向串

27、行 , 由于低压差分传送 技术、 并 /串和解并 /串芯片 、 压缩 /解压缩协议的快 速进步 , 使串行数据传输的速度达到 10GHz 。测量 仪器总线 的 IEEE488、 VXI 、 PXI 采用并行传输 , 即 将推出的 L XI 则是串行传输 , 它们也反映了传输方 式的变化 。 但是 , 测量高速串行数据传输的仪器 , 特别是串行 数据发 生器 还不能 满足要 求 , 只有 安 立公司一种 4GHz 的数据发生器可供使用 , 宽带数 字示波器的宽带 也在 10GHz 以下 , 不 能满足用户 的要求 。 高速串行数据测试仪器从去年开始有了很大提 升 , 首先宽带数字示波器突破 10GHz 带宽 , 泰克公 司的最高档数字示波器的带宽达到 15GHz , 而力科 公司的取样示波器的等效带宽达到 100GHz 。 今年 7月安捷伦科技宣布世界第一款高速串行 、 脉冲数 据发生器 81141A 的 频率达到 7GHz , 为 半导体测 试 、 计算机设计和传输网络开发的工程技术人员提 供精确定时 、 极低的时间抖动、 可重复产生的串行数 据