电子产品世界 / 天津大学 电气与自动化工程学院 刘素 刘鲁源 韩尧松
引 言
指南针是重要的导航工具，在很多领域都有广泛的应用。电子指南针将替代罗盘指南针，因为它全部采用固态元件，而且可以方便的和其他电子系统连接。电子指南针系统中磁场传感器的磁阻（MR）技术是最佳的解决方法，它比磁通量闸门传感器和霍尔元件都更先进。KMZ52芯片就运用磁阻技术，而且还具有体积小、精度高、稳定性好、价格低等特点，是理想的导航元件。但是地球磁场和电子指南针本身的特点，在测量磁场时会有些偏差，所以要进行传感器偏差补偿、干涉磁场校正、正北校正、倾斜校正等，才能得到正确的结果。文中利用KMZ52芯片设计实现了电子指南针，给出了电子指南针的电路原理图，利用了闭环负反馈原理进行偏差补偿。
指南针
图1是地球某一点的地球磁场向量He的三维图（其中，x和y轴与地球表面平行，z轴垂直指向下）。指南针的基本任务就是测量磁场北极（图中的Heh，即地球磁场的水平分量）与前进方向的夹角（方位角α），由图1可知：
图1 地球磁场向量
图1中，α是从磁场的北极顺时针计算的（如，东是90o，西是270o）；磁倾角δ是地球磁场向量与水平面的夹角（赤道处为零，极点处达到±90 o）；磁偏角λ是地理北极与磁场北极间的夹角（它与地球的实际位置有关）。
电子指南针电路
经改进的电子指南针的结构原理图如图2所示，主要分为四个部分，即磁场传感器（模块1）、信号调节单元（模块2、3、4、5、6、7、8）、方向定位单元（模块9）和显示界面（模块10）。
模块1是采用磁阻技术的二维磁场传感器KMZ52，用于测量地球磁场两个水平分量Hex和Hey的大小，它集成了两个补偿线圈和两个翻转线圈；模块2的两路输入连接模块1的两路输出，用于放大传感器输出的微弱信号；模块5是用4011B实现的方波产生电路，信号输出同时与模块3和模块6连接，使两个模块同步工作；接入模块3的方波信号用来控制MAX392模拟开关，使模块3的放大倍数在1和－1之间变化，实现了图3(c)所示的信号翻转；接入模块6的方波信号通过达林顿管，产生快速电流脉冲，来激励模块1中的两个翻转线圈；模块4利用闭环负反馈技术实现补偿电路，连接KMZ52的两个补偿线圈；模块7是参考电压（5V）产生电路；输出信号Vx和Vy通过模块8的A/D转换器转换成数字信号；再通过模块9的ARM芯片，计算方位角α；最后通过模块10的显示界面，显示方位信息。
图2 电子指南针电路图
KMZ52实现电子指南针的主要偏差补偿及校正
传感器偏移补偿
在磁场强度为15A/m（地球磁场最小值），传感器灵敏度为典型值80mV/(KA/m)（Vcc=5V）的条件下，KMZ52的输出幅度约为1.2mV；而Vcc=5V 时，由于KMZ52本身偏差及温度漂移的影响，最大偏差电压可达到±7.5mV，最大温度漂移电压为1.5mV，都比传感器输出电压1.2mV高很多，所以指南针系统的内部偏移补偿是很重要的。
应用“跳转技术”可以消除偏移，即在KMZ52的置位/复位线圈中通上正负脉冲电流，传感器的特性和输出信号就会周期地反转，反转传感器信号的幅值包含了需要的磁场信号，而传感器偏移是一个纯直流信号，通过放大级中的高通滤波器，可以除去这一直流信号，同时消除偏差和温漂造成的偏移。图3是跳转技术的波形图，a是得到的输出信号，b是滤波去除偏移后的信号，c是翻转后得到的原来信号。在图2设计的电路图中，运用MAX392 模拟开关来实现正负脉冲电路，它的四路开关可以同时控制两路通道，使两路通道具有更好的一致性；运用达林顿管，可以使正负电流脉冲时间非常短（几μm），幅度达到1A，满足了对电流脉冲的要求。
图3 跳转技术波形图
在某一点对x和y通道分别进行了测试，输出电压范围分别是：x（0.89-8.78V）、y(0.89-8.79V)，具有良好的一致性。经过跳转技术处理后，输出电压应以参考电压5V为中心（如图3），实际的输出值，x和y通道分别以4.835和4.84为中心，与要求的5V相比，相对误差小于4%，满足指南针的精度要求。
干涉磁场校正
实际应用中，指南针附近的地球磁场可能会受到其他磁场或附近的含铁金属干扰，为了获得可靠的方位角，有效的补偿上述影响是很必要的。干涉磁场对指南针的影响可以由测试图（指南针旋转360o时，SCU输出信号Vy-Vx图）进行估计。没有干涉磁场时，图形是一个中心在参考原点，半径为地球磁场强度He的圆。基本的两种干涉磁场是“硬铁效应”和“软铁效应”，“硬铁效应”是由与指南针固定位置的磁体产生的，在测试图中表现为圆心移动到（Hix,Hiy）, Hix和Hiy是干涉磁场的分量；含铁金属对地球磁场的影响表现为“软铁效应”，在测试图中表现为圆的变形。实际中，“硬铁效应”一般比“软铁效应”强的多。
如果忽略软铁效应（倘若指南针附近没有磁铁性材料，软铁效应是非常微弱的），可以用“双向校正”法校正。指南针在同一地点测得方向相差180 o的两个磁场值（H1和H2），储存两个测量值的磁场分量Hx和Hy，由于指南针的磁场等于地球磁场向量He与干涉磁场向量Hi的矢量和（旋转后，He大小相等方向相反；Hi的场源与指南针关系固定，不发生变化），可以得到干涉磁场分量：测得干涉磁场分量后，可以在补偿线圈中通以相应大小的电流，产生反向磁场分量-Hix和-Hiy，以补偿干涉磁场。图4是“硬铁效应”补偿前后两组数据的仿真图，补偿前图形大致以（3.5,6.5）为圆心（图4a），补偿后图形基本上是以（5.0，5.0）为中心（图4b），“硬铁效应”得到补偿。
(a)补偿前
(b)补偿后
图4 “硬铁补偿”前后测试图
行车试验
将电子指南针方向（X轴所指方向）向东，然后顺时针旋转360°，观察其两轴的电压输出，以及解算出的角度值。
图5 电子指南针两轴输出
图6 电子指南针角度输出
从图5可以看出，随着指南针的旋转，两轴的输出呈正弦曲线，符合地球磁场在其传感器上投影的规律；图6表明，电子指南针方位角输出从110_开始逐渐上升，当到达360_（北）时，有一个向0_变化的连续跳跃，这是由于噪声引起的，然后从0_又逐渐上升到初始位置，符合实际电子指南针运动轨迹。
结 语
利用KMZ52芯片设计实现了电子指南针，分析了由于地球磁场和KMZ52芯片固有的特性而引起的偏差，给出了补偿方法，达到了精度要求。所设计的电子指南针模块已用于车载导航系统中，电路工作稳定，起到了很好的辅助导航作用。
本文摘自《EDN 电子设计技术》
