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羅盤是自動(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這種電子羅盤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該羅盤支持串口輸出可以方便集成到各種應(yīng)用中

電子羅盤測(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的制作基礎(chǔ)所有羅盤都是測(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)串口查詢當(dāng)前方位角并顯示在界面上當(dāng)需要配置電子羅盤時(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)羅盤進(jìn)行校正時(shí)通過(guò)PC端軟件啟動(dòng)校正流程用戶需要在水平面上緩慢旋轉(zhuǎn)羅盤360然后通過(guò)PC端軟件告知羅盤結(jié)束校正此時(shí)羅盤會(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編寫基于MFC框架開發(fā)軟件流程如圖219所示軟件框架采用的是查詢方式由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)界面上的按鈕用戶可以設(shè)置電子羅盤進(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)值寫入對(duì)話框并單擊設(shè)置按鈕即可校正功能相對(duì)比較復(fù)雜在單擊開始校正后需要手動(dòng)旋轉(zhuǎn)電子羅盤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)的羅盤輸出

造成羅盤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)使電子羅盤精度降低磁場(chǎng)干擾分硬磁干擾和軟干擾兩類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)羅盤一周在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中羅盤不斷采集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)的干擾保證羅盤精度

總結(jié)

本文依據(jù)磁羅盤測(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)字羅盤該羅盤采用數(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