一種磁阻式電子羅盤測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種磁阻式電子羅盤測量系統(tǒng)，是一種基于基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)作為微控制器的數(shù)字磁羅盤系統(tǒng)，由三軸磁阻式磁傳感器、三軸MEMS加速度計、參考電源、單片機(jī)、調(diào)理電路、串行通信電路等主要部分組成，將羅盤精度最大誤差從10°提高到了1°左右，該羅盤結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，功耗低，實驗證明，該系統(tǒng)有很好的推廣和利用價值。
【專利說明】—種磁阻式電子羅盤測量系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁阻式電子羅盤測量系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]磁羅盤是導(dǎo)航系統(tǒng)和需要精確測向的定位系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，它能實時提供活動物體的航向和姿態(tài)，根據(jù)磁阻效應(yīng)和地球磁場的大小來確定方向。電子羅盤又稱〃數(shù)字羅盤〃，它的產(chǎn)生正是為彌補(bǔ)GPS系統(tǒng)的不足而設(shè)計的，結(jié)合組成復(fù)合定位系統(tǒng)。電子羅盤是利用地磁場來測量方位的，在靜止或移動狀態(tài)能給出方位信息，且不受高大阻擋物的影響，因此高精度的姿態(tài)測量可以對GPS有效的補(bǔ)償，即使在GPS信號失效后也能給出正確的航向，保證導(dǎo)航定位信息的有效，做到〃丟星不丟向"。其優(yōu)勢體現(xiàn)在體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等。同時，電子羅盤所需的敏感元件工藝較成熟，在研制技術(shù)方面具有巨大的優(yōu)勢。
[0003]電子羅盤的原理是通過測量地球磁場確定方位，按其測量磁場的傳感器種類不同，目前市售的電子羅盤可分為以下三種:磁通門式、霍爾效應(yīng)式和磁阻效應(yīng)式電子羅盤。按照傳感器形式的不同，磁羅盤分為磁通門羅盤和電子羅盤兩種。
[0004]隨著單片機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和集成電路(IC)工藝技術(shù)的迅速發(fā)展，MEMS(微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù))這一新興技術(shù)應(yīng)用到小型化飛行物體上的條件變得越來越成熟，同時也為實現(xiàn)電子羅盤的數(shù)字化奠定了基礎(chǔ)。
[0005]磁阻效應(yīng)是指某些金屬或半導(dǎo)體在磁場中電阻值隨著磁場大小的增加而升高的現(xiàn)像，這種現(xiàn)象在橫向和縱向磁場中都能觀察到，因此，可以通過測量電阻的變化來間接測量磁場的大小。
[0006]美國Honeywell (霍尼韋爾)公司采用對傳感器進(jìn)行交替正向磁化和反向磁化的方法以消除遲滯誤差和零點溫度漂移通過在傳感器芯片上放置電流帶對薄膜進(jìn)行再充磁來消除外界大磁場對傳感器輸出特性的影響，并且擁有這項技術(shù)的專利。因此磁阻傳感器在測量弱磁場以及基于弱磁場的地磁導(dǎo)航、磁航向系統(tǒng)研制、位置檢測等方面顯示出巨大的優(yōu)勢，以至于雖然它的出現(xiàn)遠(yuǎn)比半導(dǎo)體磁敏電阻、霍爾器件等晚，但發(fā)展迅速，在航天、航空、航海、工業(yè)、醫(yī)療儀器等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0007]目前，我國的磁阻式電子羅盤多為進(jìn)口，國內(nèi)生產(chǎn)和銷售電子羅盤的廠家基本都以代理國外品牌為主，如上海直川科技、北京的星網(wǎng)宇達(dá)等。國內(nèi)九十年代才開始電子羅盤的研究。北京理工大學(xué)基于LabVIEW虛擬儀器平臺開發(fā)設(shè)計了一種測量三軸姿態(tài)的虛擬數(shù)字羅盤模型，其傳感器單元由三軸加速度計和三
[0008]軸陀螺構(gòu)成，仿真效果較好；北京航空航天大學(xué)正在研制一種姿態(tài)敏感器，內(nèi)部集成了三軸磁場計和雙軸電解傾斜儀，可以測量航向角、俯仰角、滾動角以及三維磁感應(yīng)強(qiáng)度值。
[0009]本發(fā)明的目的在于研制一款體積小、質(zhì)量輕、精度高、價格低廉的高精度電子羅盤。項目以地磁定向原理為基礎(chǔ)，結(jié)合傳感器技術(shù)，運(yùn)用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和測試技術(shù)，采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法，以嵌入式處理器為核心構(gòu)建控制系統(tǒng)實現(xiàn)對傳感器的信號采集、分析及處理。
[0010]本發(fā)明中的電子羅盤是基于ADI公司的三軸加速度計ADXL330和Honeywell公司的各向異性磁阻傳感器HMC5883L組成的。采用FPGA單片機(jī)采集處理傳感器信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理和算法補(bǔ)償后，羅盤系統(tǒng)精度基本上可以達(dá)到±1°。該羅盤結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，實驗證明，該系統(tǒng)有很好的推廣和利用價值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提出一種數(shù)字電子羅盤測量系統(tǒng)，該羅盤結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，將羅盤精度最大誤差從10.5°提高到了 1°左右，實驗證明，該系統(tǒng)有很好的推廣和利用價值。
[0012]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0013]本發(fā)明包括:由三軸磁傳感器、三軸MEMS加速度計、參考電源、單片機(jī)、調(diào)理電路、串行通信電路等主要部分組成。
[0014]三軸磁傳感器為為帶有I2C總線接口的三軸數(shù)字磁阻傳感器，內(nèi)部具有12位A/D轉(zhuǎn)換器，并且內(nèi)置偏置和驅(qū)動器置位/復(fù)位電路。采用4mmX4mmXl.3mm的LCC封裝,體積小、質(zhì)量輕、價格低、電路設(shè)計簡單。R3，R4為I2C總線上拉電阻器，DRDY為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好中斷，接控制器FPGA的107號管腳。電容C3，C5加上傳感器片內(nèi)的ASIC電路中的H電橋驅(qū)動電路可以產(chǎn)生電流脈沖，使片上的置位/復(fù)位電流帶產(chǎn)生磁場給傳感器去磁和極性翻轉(zhuǎn)，能夠把磁阻傳感器恢復(fù)到測量磁場的高靈敏度狀態(tài)。
[0015]三軸MEMS加速度計ADXL345為三軸數(shù)字加速度計，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，可以對高達(dá)±16g (地球加速度)的加速度信號進(jìn)行高分辨率(13位)測量，并且兼容SPI和I2C總線接口。芯片采用3mmX5mmX Imm的LGA封裝，體積小、成本低、分辨率高、測量范圍寬。
[0016]所述單片機(jī)為FPGA，芯片選用Altera公司Cyclone系列的EP1C3T144C8，其主要功能為完成對數(shù)字磁阻傳感器和數(shù)字加速度計的數(shù)據(jù)采集、方位角計算、LED顯示以及串口輸出等處理。，該芯片具有2910個邏輯單元，完全滿足發(fā)明的開發(fā)方案編程需要。
[0017]調(diào)理電路為權(quán)利要求3所述三軸加速度傳感器MMA7361的Og偏移電壓實測值為1.515V，靈敏度的實測值為800mV/g，電壓變化的范圍為0.715?2.315V。為了提高測量精度和ADC的利用率，對輸出信號進(jìn)行了差分放大處理，處理后電壓輸出范圍為0.03?3.23V。
[0018]串行通信電路主要體現(xiàn)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的流程，在FPGA內(nèi)部采用狀態(tài)機(jī)的方法實現(xiàn)了 I2C總線接口的設(shè)計，把磁阻傳感器和加速度計同時掛載在一個I2C總線上，根據(jù)器件地址的不同分別讀取數(shù)據(jù)。FIFO是一個先進(jìn)先出堆棧，作為數(shù)據(jù)緩沖器，為了防止傳送過程中數(shù)據(jù)的丟失和重復(fù)讀取，將讀取到的數(shù)據(jù)存入FIFO中。在測試過程中發(fā)現(xiàn)有時讀取到的數(shù)據(jù)會有比較大的波動，為了提高測量精度，在FIFO緩存之前，采用數(shù)字平均濾波的方法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
[0020]圖2是三軸加速度傳感器的電路模塊
[0021]圖3是/[目號調(diào)理電路模塊
[0022]圖4是數(shù)據(jù)采集流程圖

【具體實施方式】
[0023]實施例1
[0024]一種數(shù)字電子羅盤測量系統(tǒng)包括由三軸磁傳感器、三軸MEMS加速度計、參考電源、單片機(jī)、調(diào)理電路、串行通信電路等主要部分組成。如圖1所示，
[0025]所述三軸磁傳感器為為帶有I2C總線接口的三軸數(shù)字磁阻傳感器，內(nèi)部具有12位A/D轉(zhuǎn)換器，并且內(nèi)置偏置和驅(qū)動器置位/復(fù)位電路。采用4mmX4mmXl.3mm的LCC封裝，體積小、質(zhì)量輕、價格低、電路設(shè)計簡單。R3，R4為I2C總線上拉電阻器，DRDY為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好中斷，接控制器FPGA的107號管腳。電容C3，C5加上傳感器片內(nèi)的ASIC電路中的H電橋驅(qū)動電路可以產(chǎn)生電流脈沖，使片上的置位/復(fù)位電流帶產(chǎn)生磁場給傳感器去磁和極性翻轉(zhuǎn)，能夠把磁阻傳感器恢復(fù)到測量磁場的高靈敏度狀態(tài)。
[0026]所述三軸MEMS加速度計ADXL345為三軸數(shù)字加速度計，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，可以對高達(dá)±16g (地球加速度)的加速度信號進(jìn)行高分辨率(13位)測量，并且兼容SPI和I2C總線接口。芯片采用3mmX5mmX Imm的LGA封裝，體積小、成本低、分辨率高、測量范圍寬。
[0027]所述單片機(jī)為FPGA型單片機(jī)，本發(fā)明使用了控制器的I個USART端口作為I2C總線接口采集三軸磁傳感器輸出的信號，利用片內(nèi)3個通道的ADC分別采集加速度傳感器三軸的輸出信號，使用片內(nèi)USART和計算機(jī)進(jìn)行串口通信，如圖3所示。
[0028]所述調(diào)理電路為權(quán)利要求3所述三軸加速度傳感器MMA7361的Og偏移電壓實測值為1.515V，靈敏度的實測值為800mV/g，電壓變化的范圍為0.715?2.315V。為了提高測量精度和ADC的利用率，對輸出信號進(jìn)行了差分放大處理，處理后電壓輸出范圍為0.03?3.23V。圖4給出了 X軸的信號調(diào)理電路，Y軸和Z軸的信號調(diào)理電路與之相同。
[0029]串行通信電路的設(shè)計主要體現(xiàn)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的流程，在FPGA內(nèi)部采用狀態(tài)機(jī)的方法實現(xiàn)了 I2C總線接口的設(shè)計，把磁阻傳感器和加速度計同時掛載在一個I2C總線上，根據(jù)器件地址的不同分別讀取數(shù)據(jù)。FIFO是一個先進(jìn)先出堆棧，作為數(shù)據(jù)緩沖器，為了防止傳送過程中數(shù)據(jù)的丟失和重復(fù)讀取，將讀取到的數(shù)據(jù)存入FIFO中。在測試過程中發(fā)現(xiàn)有時讀取到的數(shù)據(jù)會有比較大的波動，為了提高測量精度，在FIFO緩存之前，采用數(shù)字平均濾波的方法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。
[0030]該電子羅盤系統(tǒng)具有較高的分辨率，航向角精度在±1°之內(nèi)，滿足測量系統(tǒng)的精度要求。本發(fā)明中采用Honeywell公司的磁阻傳感器設(shè)計的電子羅盤，具有抗干擾能力強(qiáng)、抗震性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可以推廣應(yīng)用于導(dǎo)航系統(tǒng)。
【權(quán)利要求】
1.一種磁阻式電子羅盤測量系統(tǒng)，其特征在于，包括:三軸磁阻式磁傳感器、三軸MEMS加速度計、參考電源、單片機(jī)、調(diào)理電路、串行通信電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述三軸磁阻式傳感器為帶有I2C總線接口的三軸數(shù)字磁阻傳感器，內(nèi)部具有12位A/D轉(zhuǎn)換器，并且內(nèi)置偏置和驅(qū)動器置位/復(fù)位電路，采用4mmX4mmX 1.3mm的LCC封裝，R3，R4為I2C總線上拉電阻器，DRDY為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好中斷，接控制器FPGA的107號管腳，電容C3，C5加上傳感器片內(nèi)的ASIC電路中的H電橋驅(qū)動電路可以產(chǎn)生電流脈沖，使片上的置位/復(fù)位電流帶產(chǎn)生磁場給傳感器去磁和極性翻轉(zhuǎn)，能夠把磁阻傳感器恢復(fù)到測量磁場的高靈敏度狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述三軸MEMS加速度計為ADXL345，其為三軸數(shù)字加速度計，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，可以對高達(dá)±16g (地球加速度)的加速度信號進(jìn)行高分辨率(13位)測量，并且兼容SPI和I2C總線接口，芯片采用3mmX 5mmX Imm的LGA封裝。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述單片機(jī)為FPGA，芯片選用Altera公司Cyclone系列的EP1C3T144C8，其主要功能為完成對數(shù)字磁阻傳感器和數(shù)字加速度計的數(shù)據(jù)采集、方位角計算、LED顯示以及串口輸出等處理。，該芯片具有2910個邏輯單元，完全滿足發(fā)明的開發(fā)方案編程需要。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)理電路為權(quán)利要求3所述三軸加速度傳感器MMA7361的Og偏移電壓實測值為1.515V，靈敏度的實測值為800mV/g，電壓變化的范圍為0.715?2.315V，為了提高測量精度和ADC的利用率，對輸出信號進(jìn)行了差分放大處理，處理后電壓輸出范圍為0.03?3.23V。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述串行通信電路為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的流程，在權(quán)利要求4內(nèi)部的FPGA內(nèi)部采用狀態(tài)機(jī)的方法實現(xiàn)了 I2C總線接口的設(shè)計，把磁阻傳感器和加速度計同時掛載在一個I2C總線上，根據(jù)器件地址的不同分別讀取數(shù)據(jù)。FIFO是一個先進(jìn)先出堆棧，作為數(shù)據(jù)緩沖器，為了防止傳送過程中數(shù)據(jù)的丟失和重復(fù)讀取，將讀取到的數(shù)據(jù)存入FIFO中，在測試過程中發(fā)現(xiàn)有時讀取到的數(shù)據(jù)會有比較大的波動，為了提高測量精度，在FIFO緩存之前，采用數(shù)字平均濾波的方法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。
【文檔編號】G01C17/32GK104280021SQ201310293638
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月12日
【發(fā)明者】李飛 申請人:無錫成博科技發(fā)展有限公司