用磁場傳感器KMZ52設計的電子指南針

摘要：介紹了目前用于定位系統(tǒng)中的電子指南針的工作原理，詳細論述了磁場傳感器芯片KMZ52的工作原理，給出了用KMZ52磁場傳感器設計電子指南針的總體設計方案和電路，同時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，可應用在多種場合中。電子指南針內(nèi)部結(jié)構(gòu)固定，沒有移動部分，可以簡單地和其它電子系統(tǒng)接口，因此可代替舊的磁指南針。并以精度高、穩(wěn)定性好等特點得到了廣泛運用。

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

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

２　工作原理與總體方案

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

整個電子指南針系統(tǒng)主要由傳感器單元、信號調(diào)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，磁場傳感器ＫＭＺ５２用于將地磁場信號轉(zhuǎn)化成電信號輸出，信號調(diào)整單元用于將磁場傳感器單元中的輸出信號成比例放大，并將其轉(zhuǎn)換成合適的信號ｈｅｘ和ｈｅｙ，同時消除信號的偏移。對于保證系統(tǒng)的精度來說，ＳＣＵ是最重要的部件。通過ＤＤＵ可將信號調(diào)整單元輸出的兩路信號ｈｅｘ和 ｈｅｙ進行放大，然后再按下式計算出偏轉(zhuǎn)角度α：

α＝ａｒｃｔａｎ?ｈｅｙ／ｈｅｘ?

這樣根據(jù)抗干擾技術(shù)算法對α進行處理就可得出該磁場的偏轉(zhuǎn)角度，最后通過顯示單元進行輸出。

３　硬件設計

該電子指南針系統(tǒng)的電路設計如圖３所示。由于ＫＭＺ５２內(nèi)部橋式結(jié)構(gòu)的磁阻輸出是差動電壓，通過運算放大器可以成比例放大，因此，在測量地磁場信號時，為了將兩個磁場傳感器信號放大同樣的倍數(shù)，可以將二者的翻轉(zhuǎn)線圈串聯(lián)，并對差動電壓選用同樣的運放結(jié)構(gòu)。翻轉(zhuǎn)信號從①口輸入，Ｘ、Ｙ軸差動電壓信號則分別從②、③口輸出。然后通過處理系統(tǒng)對傳來的信號進行Ａ／Ｄ采樣、數(shù)值處理和校正后，即可得到所求的角度。

４　數(shù)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(shù)值變化較小的角度范圍內(nèi)，使幅值保持基本不變；而在幅值較小且數(shù)值變化較大的角度范圍內(nèi)，用一個函數(shù)改變其幅值變化曲線。具體實現(xiàn)時，可按照一定角度對曲線進行分段，并對各段用一次函數(shù)ｙ＝ａｘ＋ｂ去擬合。這樣，就可以使幅值變化曲線接近ｔａｎα。角度劃分越細，精度越高。磁場傳感器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，精度還可進一步提高。若采用高階函數(shù)去擬合，也可以提高精度。實際上，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

有時候，某些外來磁場疊加會產(chǎn)生一個恒定磁場，這個磁場對系統(tǒng)指示將造成影響。故可采用如下方法對其進行校正：

讓整個系統(tǒng)在水平面上旋轉(zhuǎn)一周，干涉磁場與地球磁場疊加會有一個最大值Ｖｍａｘ和一個最小值Ｖｍｉｎ，記錄下這兩個值和達到最大值（或最小值）的角度φ，再經(jīng)過校正，即可消除磁場的影響?，F(xiàn)以圖５所示的干擾校正方案為例來加以說明。

設地球磁場的大小為Ｖｅａｒ，干擾磁場的大小為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的影響。

６　結(jié)束語

本電子指南針采用特殊的數(shù)據(jù)處理方法提高了系統(tǒng)的精度。由于系統(tǒng)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(tǒng)精度進一步得到提高。此外，該系統(tǒng)本身可測量２維磁場，故可以很方便地與另一個１維磁場傳感器（ＫＭＺ５１）組成３維測量系統(tǒng)，以消除傾斜現(xiàn)象。由于本系統(tǒng)可以采用各種處理平臺來實現(xiàn)，因此具有良好的可移植性，可廣泛用于定位系統(tǒng)，而且可靠性好，精度很高。