车用磁阻传感器式电子罗盘系统的开发

车用磁阻传感器式电子罗盘系统的开发 吴疆，孙凌玉 (北京航空航天大学汽车工程系，北京100083) 摘 要：基于磁阻传感器HMCl055的带姿态补偿功能，开发了包含信号放大和置位，复位模块的 三维罗盘系统的硬件电路，并提出了干扰校正的软件算法以适应车内复杂的动态工作环境。 关键词：磁阻传感器HMCl055导航磁阻式罗盘 罗盘是一种重要的导航工具，已广泛应用于飞机和 航海导航等领域。一般在飞机和航海导航系统中使用的 惯性导航系统由于价格昂贵、结构复杂、导航误差随时 间累计等原因而不适合车载使用；传统的罗盘虽然价格 便宜，但不能工作于像行驶的汽车这种不稳定的环境 中。另外，传统罗盘不能够电子输出，其信号不能集成到 汽车的控制系统中，给实现基于精确导航的智能交通带 来了不便。 本文针对以上问题，充分考虑到汽车内部环境的不 平稳性以及汽车发动机等对磁场的干扰，利用磁阻传感 器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了一种车载磁阻式电子罗盘系统。 1 HMCl055系列各向异性磁阻传感器 HMCl055系列集成了HMCl051Z单轴磁阻传感器、 HMCl052双轴磁阻传感器和一个二轴MEMSICMXS3334UL 加速度传感器。 HMCl052是一个双轴线性磁阻传感器，每个传感器 都有一个由铁镍薄膜合金组成的惠思顿桥。当桥路加上 供电电压时，传感器将磁场强度转化为电压输出。 HMCl052包含两个敏感元件，它们的敏感轴相互垂直， 且参数相互匹配。内部电路如图1所示。 O "gee (5) (10)(9) (3) (4) (7) (1) (2)篙+S巾et／ResetStrapB㈣／R一 图1HMCl052内部电路 《电子技术应用》2006年第2期 + 除了惠思顿电桥，HMCl052还有两个位于芯片上的 磁耦合带：偏置带和置位／复位带。两个敏感元件都有这 两个带。置位／复位带用于确保精度；偏置带用于校正传 感器或偏置任何不想要的磁场。 HMCl05lz为HMCl052的单轴版本，其参数与 HMCl052相同。HMCl0512内部电路如图2所示。 Vce (3) Vo+(A)GNDPlaneVo一(A)GNDl(B)GND2(B) (2) (4) (8) (1) (5) B／R+S¨et／Rese卜t—Str_oapB／R一 (6) ’ (7) 图2HMCl051Z内部电路 MEMSICMXS3334UL是一个二轴的加速度传感器， 它能够提供一个用数字表示的重力加速度值。当传感器 被水平放置时，两个输出口提供一个100I-Iz、50％占空比 的方波。随着传感器的倾斜，它的输出占空比发生变化【lJ。 2三维电子罗盘总体设计 地球磁场的强度为0．6高斯左右，现有的磁阻传感 器可以很好地测量地磁场范围内的磁场强度。由于二维 罗盘只能在保持水平的情况下正常工作，如果用于车辆 的动态环境中，将不可能保证其永远水平，所以在这种 场合下，罗盘的可使用性大大降低。于是需要设计三维 罗盘以适应各种姿态的测量。三维电子罗盘的总体设计 方案如图3所示。 三轴磁阻传感器分别从x、y、Z三个磁场强度方向 输出电压，经过放大电路分别输入到三个具有A／D转换 本刊邮箱：eta@ncse．COrn．cn97 万方数据 二轴加速度 传感器 滚角度 俯仰角度 三轴．1z-x方向 Y一方向 l 一方向 磁阻传感器广—一 置位／复位 电路 MCU 图3三维罗盘总体设计方案 ． 能力的MCU端口，二轴加速度传感器测量俯仰角度和 横滚角度，测量参数的意义如图4所示。 前向平面 图4以水平面为基准的倾斜 右向平面 将测量出的X、l，、Z、0、咖代入式(1)、(2)： XH=Xcos(Iqb)+Ysin(8)sin(qb)-Zcos(8)sin(6)(1) yH=ycos(p)+Zsin(a) (2) 从而得到磁场强度在水平面内的分量(‰、y日)，由 式(3)： 方位角咖=arct蚰(y辟腹日)(3) 就可以计算出方位角西的值。 3三维电子罗盘系统的硬件设计 磁阻式罗盘由五部分组成：三轴 磁阻传感器、二轴加速度传感器、信 号放大电路、置位／复位电路、MCU 系统等。 3．1放大电路的设计 各向异性磁阻(AMR)传感器由 惠斯顿电桥进行工作，并且传感器输 U1 OUT-(B) ovr+(B) GNDl(A) aND(B) VBRIDGE HMCl055 0UT-(A1 OUT+(A) GND2(A) ，S／R— S，R+ 出电压很小，需要放大才能进行A／D转换。下面以 HMCl052为例进行分析。HMCl052的灵敏度为±1．OmVlVI 高斯，电桥偏置电压值为±ImV／V。在桥路电压3V和 625毫高斯最大的磁场强度下，桥路偏置电压为： ‰=(3．OV)x(+I．0mY／V)=±3．0mV 最大的磁场摆幅为： V麓琦=(3．0V)x(+1．0mV／V／Guass)x(0．625Guass)=±1．875mV 因此电桥输出的总摆幅为： y。=Kf，+y萱场=(±3．OmV)+(±1．875mV)=±4．875mV 经过上面的分析，使用双运算放大器来设计基本电 路，将需要的电压信号放大以进行A／D转换。图5给出 了一个HMCl052放大电路的典型方案。由于y。=±4．875mV， ADC采样在0～3V或者1．54-1．5V范围内，这样就允许 运算放大器调整其增益，以将±4．875mV的信号放大至± 2．5V的ADC范围内。因此，运算放大器的增益为： 增益=(±1．5V)／(士4．875mV)=307 这里将增益化整取值为300。 3．2置位，复位电路的设计 当受到强磁场干扰时，传感器磁化极性会受到破 坏，传感器特性也会改变。针对这一破坏性的磁场，需对 传感器敏感元件施加一个瞬态的强恢复磁场来恢复或 保持传感器特性。在HMCl055系列芯片上有一小电流 带，对电流带施加置位或者复位脉冲就能够对传感器置 位或者复位。 置位脉冲和复位脉冲对传感器所起的作用基本是 一样，惟一的区别是传感器输出的正负号改变。进行置 位或复位，需对复位置位带施加3～4A、20-50ns的脉冲 电流，置位或复位脉冲宽度为2仙s。 在HMCl055芯片上，置位，复位片的引脚名称是S／R+ 和S／R一，没有极性的区别，单个置位／复位带 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 阻值 为2．0Q，所以对于三轴系统，三个金属片串联阻值为 6．0Q，则产生一个3～4A的最小脉冲驱动一个6n的负 载所需的供电电压为18V一24V。由于系统芯片都是使用 5V电源，所以需要将5V电压升压到20v左右，可以使 用MAX662来完成。典型的电路如图6所示。 得到需要的电压后，设计图腾柱式置位复位电路， R110kll R330k1) 98 欢迎网上投稿WWW．aetnet．cnwww．aetnet．con．cn 输出电压 20v 图6MAX662A典型电路 《电子技术应用》2006年第2期 万方数据 连接20V电源 笆s7R+ = 图7置位／复位电路 如图7所示。图中SET和RESET可以各连接MCU的一 个引脚，当SET为高传感器时置位；RESET为高电传感 器时复位。 脉冲宽度会对整个电源的消耗造成直接影响，但是 由于汽车内干扰比较多，所以建议至少为2次／秒。这样 既可以保证系统的精度，也降低了功耗。 4系统的干扰校正 由于汽车内环境的特殊性，造成了车载罗盘周围的 干扰比较多，所以设计车载罗盘时需要考虑干扰校正问 题。 干扰源可分为硬铁影响(HardIronEffects)和软铁影 响(SoftIronEffects)。硬铁影响源于永久磁铁和磁化的 钢铁对磁场引起的变化，如车内发动机、直流电等，这种 影响恒定地附加一个磁场分量。软铁影响产生于地磁 场，受软铁材料的影响，如当汽车驶过一个强磁场区时， 这种影响往往是瞬时的，而且比较微弱。所以在设计车 载罗盘时主要需考虑硬铁影响对系统的影响【11。 因为硬铁影响是恒定的，所以可以采用标定的方法消 除干扰。标定的方法为：将车载罗盘在水平面旋转一周， 记录下置、y两个方向的最大和最小值(X一、l，一)、(X曲、 y疵)，代入式(4)、(5)、(6)、(7)中，可以得到丘rr、yor，。 X矿=max(1，(y。。一y曲)／(丘。一X血)) (4) Ysf=max(1，(x。。一X血)／(y。。一y血)) (5) x形=【(x。。一X血)／2一X。。】×X矿 (6) Yog=[(1，。。一l，。‘II)，2一y。。】×l，旷 (7) 式中，矗为X轴刻度系数，k为y轴刻度系数，兄∥为 X轴补偿系数，y0，，为y轴补偿系数。测定‰、y日后进 行如下补偿： XR=％+Xo，， (8) YR=YH+Yog (9) 其中，(XR、Y。)为经过校正的值，将它们带入式(3)就 可以得到方位角。 本电子罗盘的设计充分考虑了汽车内部的不平稳 性以及磁场干扰，采用了抗干扰技术，使系统测量精度 得到了提高。由于采用了三轴设计和姿态补偿设计方 案，使罗盘处于任何姿态时均能正常使用。此外，本系统 经过微控制器进行数字输出，从而可集成于GPS定位系 统之中。 参考文献 lHMCl0553一AXISCOMPASSSENSORSET[EB／OL]．霍尼 韦尔公司，http：／／www．honeywefl—sensor．com．crdprodinfo／sensor_ magnetic／datasheet／hmcl055．pdf 2AMR磁阻传感器车辆检测和罗盘定向的应用【EB／OL]． 霍尼韦尔公司，http：／／www．honeywefi—sensor．com．cn／ prodinfo／sensor_magnetic／applications_notes／apn02．pdf 3用于磁阻传感器的置位，复位脉冲电路[EB／OL]．霍尼韦尔 公司，hup：llwww．honeywell-sensor．com．cn／prodinfo／senser_ magnetic／applications_notes／apn05．pdf 4杨新勇，黄圣国．智能磁航向传感器的研制及误差补偿算 法分析[J]．北京航空航天大学学报，2004；30(3)：244～248 5林继鹏，王君，凌振宝等．HMCl001型磁阻式传感器及应 用[J】．传感器技术，2002；21(3)：51-52 6裴轶，虞南方，刘奇等．各向异性磁阻传感器的原理及其 应用【J】．仪表技术与传感器，2004；(8)：26-28 (收稿E1期：2005-10-10) 苕电器誉她爵祭零秘零g啦莽甾譬瀑塔黜紧堤淞零零g啦莽葛譬零潘氧牙鞠孓笞啦莽葛譬器甾氧紧迎孓笞的孓努均莽高黜零茜氧紧迎孓留的莽笞啦器茸斗琴墟≯弛爵 (上接第96页) 电刺激实验器的开发是为了植入大鼠体内，研究电 刺激对癫痫抑制的机理。本研究开发的电刺激实验器整 体结构尺寸为中17mm(直径)x7mm(厚)。脉冲发生放大 电路用开关方式实现，大大降低了系统的功耗。采用 ATmega48单片机控制输出脉冲，精度高、功耗小、工作 可靠、可以连续工作一个月以上，满足了实验的要求。 参考文献 1 Dieter．S．Vagusnervestimulation．MartinDunitzLtd．2001 2AVRATmega48／88／168DataSheet．AtmelCorpemtion，2005 3LTl615MicmpowerStep—upDC／DCConverters．LinearTech— nologyCorporation，1998 4avr-libcReferenceManual．http：／／www．avrfreaks．net，2003 (收稿13期：2005—10—10) 《电子技术应用》2006年第2期 IC专业解密(仅限合法) ALTARA：EPM7032LC4417032SLC，7064LC／7064SLC，44，84，7128ELC， SLC／44／84EPM7128SQCl00，STCl00。7256SQC208，3032， 3064，3128，3256。 】|臼匝矾X：XC9536，XC9572，XC95108，XC95144 A．玎吼：89C系列，90系列 Wnm0ND：78E系列，77E系列LATnCE系列，ACTEL系列 MICROC皿口：12C508．12C509．16C54．55．56．57．62，63，72．73．／A／B／F⋯ ICT：18CV8．22V10。16V8．20V8 欢迎来电查询email：think87578881@yahoo．com．cn TEL：013902406367020—87582223FA】|【：020—87516657 WWW．THINKl68．COM Addr：广州天河路561号龙苑大厦A3栋1302室联系人：施先生 本刊邮箱：eta@ncse．corn．cn99 万方数据