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羅盤(pán)是自動(dòng)控制測(cè)試及測(cè)量領(lǐng)域中用來(lái)獲取方向信息的裝置目前應(yīng)用較廣泛的是磁阻式電子羅盤(pán)這種電子羅盤(pán)具有較好的抗振性對(duì)干擾有電子補(bǔ)償因此測(cè)向精度較高但現(xiàn)有電子羅盤(pán)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜體積較大不便于攜帶和使用難以集成到現(xiàn)有嵌入式設(shè)備中針對(duì)這些問(wèn)題本文提出了以霍尼韋爾HoneyWell公司三軸磁阻傳感器HMC5883L為敏感元件使用低功耗控制器AVR單片機(jī)為傳感器數(shù)據(jù)處理單元的小型低功耗電子羅盤(pán)該羅盤(pán)支持串口輸出可以方便集成到各種應(yīng)用中

電子羅盤(pán)測(cè)向原理

地球的磁感應(yīng)強(qiáng)度為5060T相當(dāng)于沿著地球中心的一個(gè)磁棒磁棒的兩極相對(duì)于地理的兩極有大約115的夾角無(wú)論何地地球磁場(chǎng)的水平分量永遠(yuǎn)指向磁北極這一原理是所有羅盤(pán)的制作基礎(chǔ)所有羅盤(pán)都是測(cè)量地球磁場(chǎng)的北方向其他方向即可推算出來(lái)地球磁場(chǎng)的北方向和實(shí)際的北方向有差別而這種差別的大小在地球上的不同地點(diǎn)也是不同的所以必須知道羅盤(pán)所在的大致位置才能計(jì)算出如何補(bǔ)償?shù)卮藕驼鎸?shí)北方向的差別以顯示出真實(shí)的北方向

磁北的方向就是地磁場(chǎng)在水平面上分量的方向假設(shè)電子羅盤(pán)處于水平面上要確定其相對(duì)于磁北的航向角由磁阻傳感器可以直接得出地磁場(chǎng)的水平分量HxHy因此相對(duì)于磁北的航向角為

正切函數(shù)的周期為180為保證數(shù)據(jù)有效性船體航向角轉(zhuǎn)換到相對(duì)磁北0360的范圍內(nèi)可將上式分解得到相對(duì)于磁北極的360范圍內(nèi)順時(shí)針?lè)较虻暮较蚪羌由袭?dāng)?shù)氐拇牌蔷涂梢运愠雠c真北的航向角

由于地磁南北極與地理南北極存在磁偏角要得到準(zhǔn)確的南北極方向必須用計(jì)算結(jié)果加上或減去所在地區(qū)磁偏角得出前進(jìn)方向與地理北極的夾角即真北方位角A當(dāng)所在地區(qū)磁偏角已知時(shí)真北方位角為A

硬件設(shè)計(jì)

電子羅盤(pán)的硬件系統(tǒng)如圖211所示主要由傳感器控制器電源及串口輸出4部分組成控制器通過(guò)串口與PC通信用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電子羅盤(pán)的設(shè)置校正以及測(cè)量數(shù)據(jù)輸出

圖211硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

1控制器模塊

圖212ATmega16最小系統(tǒng)原理圖

控制器采用ATmega16這是一款基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的高性能低功耗8位MCU工作電壓為2755V在1MHz時(shí)鐘下工作電流為11mA大多數(shù)指令可以單時(shí)鐘周期執(zhí)行具有統(tǒng)一的中斷管理片上外圍模塊豐富片內(nèi)有16KB的Flash1KB的RAM512字節(jié)的EEPROM8路的10位AD轉(zhuǎn)換器以及一路USART通信端口等資源在本設(shè)計(jì)中控制器串口與PC連接可以對(duì)電子羅盤(pán)進(jìn)行配置及校正也可以將最終計(jì)算得到的方向及角度通過(guò)串口輸出供其他測(cè)量系統(tǒng)使用控制器模塊在ATmega16的基礎(chǔ)上做了最小系統(tǒng)的擴(kuò)展如圖212所示按照模塊化設(shè)計(jì)思想本文將最小系統(tǒng)制作成單獨(dú)模塊其最終實(shí)物如圖213所示

圖213ATmega16最小系統(tǒng)實(shí)物圖

圖214HMC5883L模塊

圖215串口模塊

圖216底板原理圖

2HMC5883L模塊

HMC5883L是一種基于表面貼裝的高集成自帶數(shù)字接口的弱磁傳感器應(yīng)用于低成本羅盤(pán)和磁場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域HMC5883L包括最先進(jìn)的高分辨率HMC118X系列磁阻傳感器并附帶霍尼韋爾專(zhuān)利的集成電路包括放大器自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器偏差校準(zhǔn)能使羅盤(pán)精度控制在12的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及簡(jiǎn)易的I2C總線(xiàn)接口

HMC5883L采用霍尼韋爾各向異性磁阻AMR技術(shù)具有軸向高靈敏度和線(xiàn)性高精度的特點(diǎn)能用于測(cè)量地球磁場(chǎng)的方向和大小

HMC5883L模塊的外圍電路非常簡(jiǎn)單本文采用的是成品模塊如圖214所示該模塊外接引腳包括VCCGNDSCLSDADRDY3V3其中VCC為5V輸入模塊自帶降壓功能可以輸出33V電壓供其他模塊使用SCL與SDA為標(biāo)準(zhǔn)I2C接口DRDY用于指示HMC5883L數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好用于中斷方式讀取測(cè)量數(shù)據(jù)

3串口模塊

與PC通信的串口模塊采用的是USB轉(zhuǎn)串口方式同樣采用成品模塊如圖215所示該模塊使用PL2303HX芯片實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口功能具有電路簡(jiǎn)單傳輸速度快等特點(diǎn)模塊引出的功能引腳包括TXDRXDGND3V35V其中5V為USB總線(xiàn)輸出電壓本文將該電壓作為下位機(jī)的供電電壓TXD與RXD為串口接口與單片機(jī)直接連接無(wú)需做電平轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部同時(shí)集成了降壓模塊可以輸出33V電壓但由于已經(jīng)使用了HMC5883L模塊的降壓功能本系統(tǒng)中該輸出引腳懸空

4底板模塊

各模塊之間需要通過(guò)底板進(jìn)行連接其原理圖如圖216所示其中與HMC5883L模塊的I2C接口使用的是ATmega16的硬件接口因此需要連接PC0與PC1端口DRDY則與PD7端口連接串口模塊與單片機(jī)的硬件串口端口PD0PD1連接總體連接相對(duì)簡(jiǎn)單將各個(gè)模塊通過(guò)插座插針以及連接線(xiàn)連接設(shè)備最終的樣子如圖217所示

軟件設(shè)計(jì)

電子羅盤(pán)的軟件分為兩部分單片機(jī)上的軟件以及PC端的控制軟件平時(shí)工作時(shí)只需運(yùn)行單片機(jī)上的程序PC端軟件僅顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)當(dāng)需要配置或者校正時(shí)要配合PC端軟件使用

單片機(jī)的軟件流程如圖218所示參數(shù)保存在單片機(jī)的EEPROM中掉電后仍然可以保存

圖217總體設(shè)備實(shí)物圖

圖218單片機(jī)軟件流程圖

PC機(jī)與單片機(jī)進(jìn)行串口連接平時(shí)工作時(shí)單片機(jī)工作在正常模式PC端軟件通過(guò)串口查詢(xún)當(dāng)前方位角并顯示在界面上當(dāng)需要配置電子羅盤(pán)時(shí)可以通過(guò)PC端軟件設(shè)置磁偏角參數(shù)都會(huì)保存在單片機(jī)的EEPROM中羅盤(pán)重啟后還按之前的設(shè)置參數(shù)運(yùn)行當(dāng)需要對(duì)羅盤(pán)進(jìn)行校正時(shí)通過(guò)PC端軟件啟動(dòng)校正流程用戶(hù)需要在水平面上緩慢旋轉(zhuǎn)羅盤(pán)360然后通過(guò)PC端軟件告知羅盤(pán)結(jié)束校正此時(shí)羅盤(pán)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出XY軸的偏移值并保存同時(shí)PC端軟件上會(huì)顯示這些偏移值

PC端軟件采用VisualC2005編寫(xiě)基于MFC框架開(kāi)發(fā)軟件流程如圖219所示軟件框架采用的是查詢(xún)方式由PC控制軟件作為主動(dòng)方發(fā)送串口命令到單片機(jī)單片機(jī)則作為被動(dòng)方將結(jié)果返回給PC控制軟件

通過(guò)界面上的按鈕用戶(hù)可以設(shè)置電子羅盤(pán)進(jìn)行校正并看到當(dāng)前方位角的顯示界面如圖2110所示使用時(shí)先將單片機(jī)與PC串口連接然后打開(kāi)對(duì)應(yīng)的串口號(hào)此時(shí)即可以看到當(dāng)前方位角顯示在偏角欄里如果需要設(shè)置磁偏角只需將數(shù)值寫(xiě)入對(duì)話(huà)框并單擊設(shè)置按鈕即可校正功能相對(duì)比較復(fù)雜在單擊開(kāi)始校正后需要手動(dòng)旋轉(zhuǎn)電子羅盤(pán)360然后再單擊結(jié)束校正最大最小偏移值即會(huì)顯示在界面上

羅盤(pán)誤差及補(bǔ)償

圖219PC端軟件流程圖

圖2110PC端軟件界面

圖2111有無(wú)干擾時(shí)的羅盤(pán)輸出

造成羅盤(pán)誤差的主要因素有傳感器誤差其他磁材料干擾等為了校準(zhǔn)傳感器放大電路HMC5883內(nèi)部集成了自測(cè)試電路可以驅(qū)動(dòng)偏置電流帶產(chǎn)生一定大小的測(cè)試磁場(chǎng)以校準(zhǔn)傳感器各軸靈敏度自測(cè)試還可以校準(zhǔn)溫度變化產(chǎn)生的漂移當(dāng)磁阻傳感器處于較強(qiáng)干擾磁場(chǎng)中時(shí)傳感器靈敏度會(huì)下降甚至失效為了消除這種影響需要復(fù)位置位電路施加脈沖寬度為2s電流強(qiáng)度為34A的電流使傳感器特性恢復(fù)在目前應(yīng)用較為廣泛的HMC1022及HMC1022模擬輸出磁阻傳感器中復(fù)位置位電路需要額外設(shè)計(jì)并由控制器控制而HMC5883芯片內(nèi)部集成了生成復(fù)位置位脈沖所需的驅(qū)動(dòng)電路且由片上ASIC電路自動(dòng)控制在每次測(cè)量前自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位置位操作不僅保證了傳感器精度也使傳感器應(yīng)用電路大為簡(jiǎn)化

除了傳感器本身的誤差磁阻傳感器應(yīng)用環(huán)境中的磁介質(zhì)引起的磁場(chǎng)變化也會(huì)使電子羅盤(pán)精度降低磁場(chǎng)干擾分硬磁干擾和軟干擾兩類(lèi)硬磁干擾是傳感器附近的永磁體或被磁化的金屬造成的它對(duì)磁阻傳感器輸出的影響是固定的使輸出曲線(xiàn)圖圓心偏移如圖2111b所示而軟磁干擾則是地球磁場(chǎng)和傳感器附近磁性材料的相互作用造成的其干擾具有方向性如圖2111c所示

為了校正XY軸方向的硬磁干擾需要在校準(zhǔn)模式中繞Z軸緩緩旋轉(zhuǎn)羅盤(pán)一周在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中羅盤(pán)不斷采集XY軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)最終找出數(shù)據(jù)的最大值XmaxYmax和最小值XminYmin對(duì)于Z軸的校準(zhǔn)需要繞X軸或Y軸旋轉(zhuǎn)一周找出Z軸數(shù)據(jù)的最大值Zmax最小值Zmin校準(zhǔn)偏移量為

將偏移量保存到控制器的EEPROM存儲(chǔ)器中在以后的每次測(cè)量中將每軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度減去對(duì)應(yīng)的偏移量即可校準(zhǔn)硬磁干擾消除軟磁干擾的補(bǔ)償算法較為復(fù)雜在低成本的控制器上不易實(shí)現(xiàn)且效果有限因此在本設(shè)計(jì)中選用了優(yōu)化磁阻傳感器安裝位置的方法以降低其他磁性材料對(duì)地磁場(chǎng)的干擾保證羅盤(pán)精度

總結(jié)

本文依據(jù)磁羅盤(pán)測(cè)向原理設(shè)計(jì)了具有傾斜補(bǔ)償功能的小體積低功耗數(shù)字羅盤(pán)該羅盤(pán)采用數(shù)字磁阻傳感器HMC5883L及超低功耗處理器ATmega16L具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單集成度高抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)證明經(jīng)算法補(bǔ)償后該電子羅盤(pán)精度可以達(dá)到1由于硬件成本低功耗小它也適用于便攜導(dǎo)航小型飛行器控制以及用于其他需要測(cè)量?jī)A角和方位角的場(chǎng)合