用磁場(chǎng)傳感器KMZ52設計的電子指南針

摘要：介紹了目前用于定位系統中的電子指南針的工作原理，詳細論述了磁場(chǎng)傳感器芯片KMZ52的工作原理，給出了用KMZ52磁場(chǎng)傳感器設計電子指南針的總體設計方案和電路，同時(shí)給出了設計中的一些特殊處理方法。

關(guān)鍵詞：電子指南針；磁場(chǎng)傳感器；KMZ52

１　概述

指南針是一種重要的導航工具，可應用在多種場(chǎng)合中。電子指南針內部結構固定，沒(méi)有移動(dòng)部分，可以簡(jiǎn)單地和其它電子系統接口，因此可代替舊的磁指南針。并以精度高、穩定性好等特點(diǎn)得到了廣泛運用。

Ｐｈｉｌｉｐｓ公司生產(chǎn)的半導體器件ＫＭＺ５２是一種專(zhuān)門(mén)用于電子指南針的二維磁場(chǎng)傳感器。它采用磁場(chǎng)傳感器的磁阻（ＭＲ）技術(shù)，并用翻轉技術(shù)消除信號偏移，而用電磁反饋技術(shù)來(lái)消除溫度的敏感漂移。由于外界存在干擾，該系統集成了幾種特殊的抗干擾技術(shù)來(lái)提高系統精度。

本文介紹了電子指南針的工作原理及電路設計，同時(shí)給出了其抗干擾設計以及信號和數據的處理方法。

２　工作原理與總體方案

圖１是ＫＭＺ５２的內部結構框圖和引腳排列。圖中，Ｚ１和Ｚ４為翻轉線(xiàn)圈，Ｚ２和Ｚ３為補償線(xiàn)圈。由于環(huán)境溫度可能會(huì )影響系統精度，因此，在高精度系統中，可以通過(guò)補償線(xiàn)圈對其進(jìn)行補償。ＫＭＺ５２內部有兩個(gè)正交的磁場(chǎng)傳感器? 分別對應二維平面的Ｘ軸和Ｙ軸。磁場(chǎng)傳感器的原理是利用磁阻（ＭＲ）組成磁式結構，這樣可改變電磁物質(zhì)在外部磁場(chǎng)中的電阻系數。以便在磁場(chǎng)傳感器的翻轉線(xiàn)圈Ｚ１和Ｚ２上加載翻轉電信號后使之能夠產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。由于該變化磁場(chǎng)會(huì )造成磁阻變化（ΔＲ）０并將其轉化成變化的差動(dòng)電壓輸出，這樣，就能根據磁場(chǎng)大小正比于輸出差動(dòng)電壓的原理，分別讀取對應的兩軸信號，然后再進(jìn)行處理計算即可得到偏轉角度。

整個(gè)電子指南針系統主要由傳感器單元、信號調整單元（ＳＣＵ）、方向確定單元（ＤＤＵ）和顯示單元四部分組成。電子指南針的總體設計框圖如圖２所示。圖中，磁場(chǎng)傳感器ＫＭＺ５２用于將地磁場(chǎng)信號轉化成電信號輸出，信號調整單元用于將磁場(chǎng)傳感器單元中的輸出信號成比例放大，并將其轉換成合適的信號ｈｅｘ和ｈｅｙ，同時(shí)消除信號的偏移。對于保證系統的精度來(lái)說(shuō)，ＳＣＵ是最重要的部件。通過(guò)ＤＤＵ可將信號調整單元輸出的兩路信號ｈｅｘ和 ｈｅｙ進(jìn)行放大，然后再按下式計算出偏轉角度α：

α＝ａｒｃｔａｎ?ｈｅｙ／ｈｅｘ?

這樣根據抗干擾技術(shù)算法對α進(jìn)行處理就可得出該磁場(chǎng)的偏轉角度，最后通過(guò)顯示單元進(jìn)行輸出。

３　硬件設計

該電子指南針系統的電路設計如圖３所示。由于ＫＭＺ５２內部橋式結構的磁阻輸出是差動(dòng)電壓，通過(guò)運算放大器可以成比例放大，因此，在測量地磁場(chǎng)信號時(shí)，為了將兩個(gè)磁場(chǎng)傳感器信號放大同樣的倍數，可以將二者的翻轉線(xiàn)圈串聯(lián)，并對差動(dòng)電壓選用同樣的運放結構。翻轉信號從①口輸入，Ｘ、Ｙ軸差動(dòng)電壓信號則分別從②、③口輸出。然后通過(guò)處理系統對傳來(lái)的信號進(jìn)行Ａ／Ｄ采樣、數值處理和校正后，即可得到所求的角度。

４　數值處理

由于ＫＭＺ５２的輸出信號很微弱，故信號干擾較大。在輸出幅值很小的位置上，通常有３００ｍＶ左右且變化很大的干擾；而在輸出幅值時(shí)則近似保持恒值。兩路信號幅值與角度的關(guān)系如圖４所示。

為使二者的比值接近ｔａｎα?０＜α＜９０?的變化，可以在幅值較大且數值變化較小的角度范圍內，使幅值保持基本不變；而在幅值較小且數值變化較大的角度范圍內，用一個(gè)函數改變其幅值變化曲線(xiàn)。具體實(shí)現時(shí)，可按照一定角度對曲線(xiàn)進(jìn)行分段，并對各段用一次函數ｙ＝ａｘ＋ｂ去擬合。這樣，就可以使幅值變化曲線(xiàn)接近ｔａｎα。角度劃分越細，精度越高。磁場(chǎng)傳感器ＫＭＺ５２的精度為３，若按１５劃分，可將精度提高到１。若按５對其劃分，精度可高達０．３。如劃分更細，精度還可進(jìn)一步提高。若采用高階函數去擬合，也可以提高精度。實(shí)際上，在精度要求不高的情況下，通常以１５劃分就可以達到要求。

５ 干擾校正

有時(shí)候，某些外來(lái)磁場(chǎng)疊加會(huì )產(chǎn)生一個(gè)恒定磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)對系統指示將造成影響。故可采用如下方法對其進(jìn)行校正：

讓整個(gè)系統在水平面上旋轉一周，干涉磁場(chǎng)與地球磁場(chǎng)疊加會(huì )有一個(gè)最大值Ｖｍａｘ和一個(gè)最小值Ｖｍｉｎ，記錄下這兩個(gè)值和達到最大值（或最小值）的角度φ，再經(jīng)過(guò)校正，即可消除磁場(chǎng)的影響?，F以圖５所示的干擾校正方案為例來(lái)加以說(shuō)明。

設地球磁場(chǎng)的大小為Ｖｅａｒ，干擾磁場(chǎng)的大小為Ｖｄｉｓ?則有：Ｖｅａｒ＝（Ｖｍａｘ＋Ｖｍｉｎ）／２?

Ｖｄｉｓ＝（Ｖｍａｘ－Ｖｍｉｎ）／２?

這樣，由正弦定理Ｖｅａｒ／ｓｉｎφ＝Ｖｄｉｓ／ｓｉｎγ可求出γ。然后在α上加上γ角即可消除干擾磁場(chǎng)的影響。

６　結束語(yǔ)

本電子指南針采用特殊的數據處理方法提高了系統的精度。由于系統采用了抗干擾技術(shù)，因而減小了其它因素所造成的影響，使系統精度進(jìn)一步得到提高。此外，該系統本身可測量２維磁場(chǎng)，故可以很方便地與另一個(gè)１維磁場(chǎng)傳感器（ＫＭＺ５１）組成３維測量系統，以消除傾斜現象。由于本系統可以采用各種處理平臺來(lái)實(shí)現，因此具有良好的可移植性，可廣泛用于定位系統，而且可靠性好，精度很高。