中心論題:
- HMC1055系列各向異性磁阻傳感器。
- 三維電子羅盤的總體設計。
- 三維電子羅盤系統(tǒng)的硬件設計的介紹。
- 車載羅盤系統(tǒng)的干擾校正。
解決方案:
- 對傳感器敏感元件施加一個瞬態(tài)的強恢復磁場恢復或保持傳感器特性。
- 采用標定的方法消除硬鐵影響干擾。
- 三軸設計和姿態(tài)補償使羅盤處于任何姿態(tài)時均能正常使用。
羅盤是一種重要的導航工具,已廣泛應用于飛機和航海導航等領域。一般在飛機和航海導航系統(tǒng)中使用的慣性導航系統(tǒng)由于價格昂貴、結構復雜、導航誤差隨時間累計等原因而不適合車載使用;傳統(tǒng)的羅盤雖然價格便宜,但不能工作于像行駛的汽車這種不穩(wěn)定的環(huán)境中。另外,傳統(tǒng)羅盤不能夠電子輸出,其信號不能集成到汽車的控制系統(tǒng)中,給實現(xiàn)基于精確導航的智能交通帶來了不便。
本文針對以上問題,充分考慮到汽車內部環(huán)境的不平穩(wěn)性以及汽車發(fā)動機等對磁場的干擾,利用磁阻傳感器設計了一種車載磁阻式電子羅盤系統(tǒng)。
HMC1055系列各向異性磁阻傳感器
HMC1055系列集成了HMC1051Z單軸磁阻傳感器、HMC1052雙軸磁阻傳感器和一個二軸MEMSIC MXS3334UL加速度傳感器。
HMC1052是一個雙軸線性磁阻傳感器,每個傳感器都有一個由鐵鎳薄膜合金組成的惠思頓橋。當橋路加上供電電壓時,傳感器將磁場強度轉化為電壓輸出。HMC1052包含兩個敏感元件,它們的敏感軸相互垂直,且參數(shù)相互匹配。內部電路如圖1所示。
本文針對以上問題,充分考慮到汽車內部環(huán)境的不平穩(wěn)性以及汽車發(fā)動機等對磁場的干擾,利用磁阻傳感器設計了一種車載磁阻式電子羅盤系統(tǒng)。
HMC1055系列各向異性磁阻傳感器
HMC1055系列集成了HMC1051Z單軸磁阻傳感器、HMC1052雙軸磁阻傳感器和一個二軸MEMSIC MXS3334UL加速度傳感器。
HMC1052是一個雙軸線性磁阻傳感器,每個傳感器都有一個由鐵鎳薄膜合金組成的惠思頓橋。當橋路加上供電電壓時,傳感器將磁場強度轉化為電壓輸出。HMC1052包含兩個敏感元件,它們的敏感軸相互垂直,且參數(shù)相互匹配。內部電路如圖1所示。
除了惠思頓電橋,HMC1052還有兩個位于芯片上的磁耦合帶:偏置帶和置位/復位帶。兩個敏感元件都有這兩個帶。置位/復位帶用于確保精度;偏置帶用于校正傳感器或偏置任何不想要的磁場。
HMC1051Z為HMC1052的單軸版本,其參數(shù)與HMC1052相同。HMC10512內部電路如圖2所示。
HMC1051Z為HMC1052的單軸版本,其參數(shù)與HMC1052相同。HMC10512內部電路如圖2所示。
MEMSIC MXS3334UL是一個二軸的加速度傳感器,它能夠提供一個用數(shù)字表示的重力加速度值。當傳感器被水平放置時,兩個輸出口提供一個100Hz、50%占空比的方波。隨著傳感器的傾斜,它的輸出占空比發(fā)生變化[1]。
三維電子羅盤總體設計
地球磁場的強度為0.6高斯左右,現(xiàn)有的磁阻傳感器可以很好地測量地磁場范圍內的磁場強度。由于二維羅盤只能在保持水平的情況下正常工作,如果用于車輛的動態(tài)環(huán)境中,將不可能保證其永遠水平,所以在這種場合下,羅盤的可使用性大大降低。于是需要設計三維羅盤以適應各種姿態(tài)的測量。三維電子羅盤的總體設計方案如圖3所示。三軸磁阻傳感器分別從X、Y、Z 三個磁場強度方向輸出電壓,經(jīng)過放大電路分別輸入到三個具有A/D轉換能力的MCU端口,二軸加速度傳感器測量俯仰角度和橫滾角度,測量參數(shù)的意義如圖4所示。
地球磁場的強度為0.6高斯左右,現(xiàn)有的磁阻傳感器可以很好地測量地磁場范圍內的磁場強度。由于二維羅盤只能在保持水平的情況下正常工作,如果用于車輛的動態(tài)環(huán)境中,將不可能保證其永遠水平,所以在這種場合下,羅盤的可使用性大大降低。于是需要設計三維羅盤以適應各種姿態(tài)的測量。三維電子羅盤的總體設計方案如圖3所示。三軸磁阻傳感器分別從X、Y、Z 三個磁場強度方向輸出電壓,經(jīng)過放大電路分別輸入到三個具有A/D轉換能力的MCU端口,二軸加速度傳感器測量俯仰角度和橫滾角度,測量參數(shù)的意義如圖4所示。
將測量出的X、Y、Z、θ、Φ代入式(1)、(2):
H=Xcos(Φ)+Ysin(θ)sin(Φ)-Zcos(θ)sin(Φ)(1)
H=Ycos(θ)+Zsin(θ)(2)
從而得到磁場強度在水平面內的分量(XH、YH),由式(3):
方位角Φ=arctan(YH/XH)(3)
就可以計算出方位角Φ的值。
三維電子羅盤系統(tǒng)的硬件設計
磁阻式羅盤由五部分組成:三軸磁阻傳感器、二軸加速度傳感器、信號放大電路、置位/復位電路、MCU系統(tǒng)等。
a 放大電路的設計
各向異性磁阻(AMR)傳感器由惠斯頓電橋進行工作,并且傳感器輸出電壓很小,需要放大才能進行A/D轉換。下面以HMC1052為例進行分析。HMC1052的靈敏度為±1.0mV/V/高斯,電橋偏置電壓值為±1mV/V。在橋路電壓3V和625毫高斯最大的磁場強度下,橋路偏置電壓為:
Vo f f =(3.0V)×(±1.0mV/V)=±3.0mV
最大的磁場擺幅為:
V磁場=(3.0V)×(±1.0mV/V/Guass)×(0.625Guass)=±1.875mV
因此電橋輸出的總擺幅為:
Vout =Vo f f +V磁場=(±3.0mV)+(±1.875mV)=±4.875mV
經(jīng)過上面的分析,使用雙運算放大器來設計基本電路,將需要的電壓信號放大以進行A/D轉換。圖5給出了一個HMC1052放大電路的典型方案。由于Vout=±4.875mV,ADC采樣在0~3V或者1.5±1.5V范圍內,這樣就允許運算放大器調整其增益,以將±4.875mV的信號放大至±2.5V的ADC范圍內。因此,運算放大器的增益為:
增益=(±1.5V )/(±4.875mV)=307
這里將增益化整取值為300。
b 置位/復位電路的設計
當受到強磁場干擾時,傳感器磁化極性會受到破壞,傳感器特性也會改變。針對這一破壞性的磁場,需對傳感器敏感元件施加一個瞬態(tài)的強恢復磁場來恢復或保持傳感器特性。在HMC1055系列芯片上有一小電流帶,對電流帶施加置位或者復位脈沖就能夠對傳感器置位或者復位 。
置位脈沖和復位脈沖對傳感器所起的作用基本是一樣,惟一的區(qū)別是傳感器輸出的正負號改變。進行置位或復位,需對復位置位帶施加3~4A、20~50ns的脈沖電流,置位或復位脈沖寬度為2μs。
在HMC1055芯片上,置位/復位片的引腳名稱是S/R+和S/R-,沒有極性的區(qū)別,單個置位/復位帶標準阻值為2.0Ω,所以對于三軸系統(tǒng),三個金屬片串聯(lián)阻值為6.0Ω,則產生一個3~4A的最小脈沖驅動一個6Ω的負載所需的供電電壓為18V~24V。由于系統(tǒng)芯片都是使用5V電源,所以需要將5V電壓升壓到20V左右,可以使用MAX662來完成。典型的電路如圖6所示。
H=Xcos(Φ)+Ysin(θ)sin(Φ)-Zcos(θ)sin(Φ)(1)
H=Ycos(θ)+Zsin(θ)(2)
從而得到磁場強度在水平面內的分量(XH、YH),由式(3):
方位角Φ=arctan(YH/XH)(3)
就可以計算出方位角Φ的值。
三維電子羅盤系統(tǒng)的硬件設計
磁阻式羅盤由五部分組成:三軸磁阻傳感器、二軸加速度傳感器、信號放大電路、置位/復位電路、MCU系統(tǒng)等。
a 放大電路的設計
各向異性磁阻(AMR)傳感器由惠斯頓電橋進行工作,并且傳感器輸出電壓很小,需要放大才能進行A/D轉換。下面以HMC1052為例進行分析。HMC1052的靈敏度為±1.0mV/V/高斯,電橋偏置電壓值為±1mV/V。在橋路電壓3V和625毫高斯最大的磁場強度下,橋路偏置電壓為:
Vo f f =(3.0V)×(±1.0mV/V)=±3.0mV
最大的磁場擺幅為:
V磁場=(3.0V)×(±1.0mV/V/Guass)×(0.625Guass)=±1.875mV
因此電橋輸出的總擺幅為:
Vout =Vo f f +V磁場=(±3.0mV)+(±1.875mV)=±4.875mV
經(jīng)過上面的分析,使用雙運算放大器來設計基本電路,將需要的電壓信號放大以進行A/D轉換。圖5給出了一個HMC1052放大電路的典型方案。由于Vout=±4.875mV,ADC采樣在0~3V或者1.5±1.5V范圍內,這樣就允許運算放大器調整其增益,以將±4.875mV的信號放大至±2.5V的ADC范圍內。因此,運算放大器的增益為:
增益=(±1.5V )/(±4.875mV)=307
這里將增益化整取值為300。
b 置位/復位電路的設計
當受到強磁場干擾時,傳感器磁化極性會受到破壞,傳感器特性也會改變。針對這一破壞性的磁場,需對傳感器敏感元件施加一個瞬態(tài)的強恢復磁場來恢復或保持傳感器特性。在HMC1055系列芯片上有一小電流帶,對電流帶施加置位或者復位脈沖就能夠對傳感器置位或者復位 。
置位脈沖和復位脈沖對傳感器所起的作用基本是一樣,惟一的區(qū)別是傳感器輸出的正負號改變。進行置位或復位,需對復位置位帶施加3~4A、20~50ns的脈沖電流,置位或復位脈沖寬度為2μs。
在HMC1055芯片上,置位/復位片的引腳名稱是S/R+和S/R-,沒有極性的區(qū)別,單個置位/復位帶標準阻值為2.0Ω,所以對于三軸系統(tǒng),三個金屬片串聯(lián)阻值為6.0Ω,則產生一個3~4A的最小脈沖驅動一個6Ω的負載所需的供電電壓為18V~24V。由于系統(tǒng)芯片都是使用5V電源,所以需要將5V電壓升壓到20V左右,可以使用MAX662來完成。典型的電路如圖6所示。
得到需要的電壓后,設計圖騰柱式置位復位電路,如圖7所示。圖中SET和RESET可以各連接MCU的一個引腳,當SET為高傳感器時置位;RESET為高電傳感器時復位。
脈沖寬度會對整個電源的消耗造成直接影響,但是由于汽車內干擾比較多,所以建議至少為2次/秒。這樣既可以保證系統(tǒng)的精度,也降低了功耗。
系統(tǒng)的干擾校正
由于汽車內環(huán)境的特殊性,造成了車載羅盤周圍的干擾比較多,所以設計車載羅盤時需要考慮干擾校正問題。
干擾源可分為硬鐵影響(Hard Iron Effects)和軟鐵影響(Soft Iron Effects)。硬鐵影響源于永久磁鐵和磁化的鋼鐵對磁場引起的變化,如車內發(fā)動機、直流電等,這種影響恒定地附加一個磁場分量。軟鐵影響產生于地磁場,受軟鐵材料的影響,如當汽車駛過一個強磁場區(qū)時,這種影響往往是瞬時的,而且比較微弱。所以在設計車載羅盤時主要需考慮硬鐵影響對系統(tǒng)的影響[1]。
因為硬鐵影響是恒定的,所以可以采用標定的方法消除干擾。標定的方法為:將車載羅盤在水平面旋轉一周,記錄下X、Y兩個方向的最大和最小值(Xmax、Ymax)、(Xmin、Ymin),代入式(4)、(5)、(6)、(7)中,可以得到Xo f f 、Yo f f 。
其中,(XR、YR)為經(jīng)過校正的值,將它們帶入式(3)就可以得到方位角。
本電子羅盤的設計充分考慮了汽車內部的不平穩(wěn)性以及磁場干擾,采用了抗干擾技術,使系統(tǒng)測量精度得到了提高。由于采用了三軸設計和姿態(tài)補償設計方案,使羅盤處于任何姿態(tài)時均能正常使用。此外,本系統(tǒng)經(jīng)過微控制器進行數(shù)字輸出,從而可集成于GPS定位系統(tǒng)之中。
系統(tǒng)的干擾校正
由于汽車內環(huán)境的特殊性,造成了車載羅盤周圍的干擾比較多,所以設計車載羅盤時需要考慮干擾校正問題。
干擾源可分為硬鐵影響(Hard Iron Effects)和軟鐵影響(Soft Iron Effects)。硬鐵影響源于永久磁鐵和磁化的鋼鐵對磁場引起的變化,如車內發(fā)動機、直流電等,這種影響恒定地附加一個磁場分量。軟鐵影響產生于地磁場,受軟鐵材料的影響,如當汽車駛過一個強磁場區(qū)時,這種影響往往是瞬時的,而且比較微弱。所以在設計車載羅盤時主要需考慮硬鐵影響對系統(tǒng)的影響[1]。
因為硬鐵影響是恒定的,所以可以采用標定的方法消除干擾。標定的方法為:將車載羅盤在水平面旋轉一周,記錄下X、Y兩個方向的最大和最小值(Xmax、Ymax)、(Xmin、Ymin),代入式(4)、(5)、(6)、(7)中,可以得到Xo f f 、Yo f f 。
其中,(XR、YR)為經(jīng)過校正的值,將它們帶入式(3)就可以得到方位角。
本電子羅盤的設計充分考慮了汽車內部的不平穩(wěn)性以及磁場干擾,采用了抗干擾技術,使系統(tǒng)測量精度得到了提高。由于采用了三軸設計和姿態(tài)補償設計方案,使羅盤處于任何姿態(tài)時均能正常使用。此外,本系統(tǒng)經(jīng)過微控制器進行數(shù)字輸出,從而可集成于GPS定位系統(tǒng)之中。