基于KMZ52磁场传感器的“电子指南针”设计！！！！

sunzhaod · 发表于 2010-4-20 10:03:19

基于KMZ52的电子指南针设计
技术分类：测试与测量 | 2005-12-03
来源：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
由两个KMZ51做的电子指南针模块

(KMZ52做的电子指南针模块)

(KMZ51做的电子指南针模块)
   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：

地球磁场向量

(原文件名:1.gif)
                                                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）。

(原文件名:KMZ52.jpg)

(原文件名:KMZ52b.jpg)
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。

电子指南针电路图

(原文件名:2.gif)
                     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。

跳转技术波形图

点击看原图

(原文件名:3.gif)
                        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。

补偿前

(原文件名:4a.gif)
(a)补偿前

(原文件名:4b.gif)

                     (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。

电子指南针两轴输出

(原文件名:5.gif)
图5 电子指南针两轴输出

电子指南针角度输出

(原文件名:6.gif)

                        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。

参考文献：
1.  KMZ52的原理介绍. http://www.zlgmcu.com/infocomm/
2.  徐文耀.地磁学.地震出版社，2003
KMZ52 Datasheet
点击此处下载 ourdev_547592.pdf(文件大小:65K) (原文件名:KMZ52磁场传感器.pdf)
KMZ51 Datasheet
点击此处下载 ourdev_547614.pdf(文件大小:64K) (原文件名:KMZ51.pdf)

KMZ52 官方应用手册
点击此处下载 ourdev_455205.pdf(文件大小:42K) (原文件名:KMZ52b.pdf)

sunzhaod · 发表于 2010-4-20 10:31:53

不过瘾再来一篇

基于KMZ52的移动机器人定向磁电子罗盘设计
刘颜，董春
(北京交通大学电气工程学院，北京 100044)
1 引言
磁电子罗盘是一种利用地磁场实现定向功能的装置，在移动机器人导航方面有着重要的应用价值。与传统的自主惯性导航设备相比，磁电子罗盘具有体积小、成本低、无累计误差、能够自动寻北等特点。与常规的指针型罗盘相比，磁电子罗盘在抗冲击性、抗震性等方面性能良好。并且能够对杂散磁场进行补偿，输出电信号．可方便地与其他电子设备组成应用系统。
本罗盘设计采用Philips公司的KMZ52磁阻传感器和Microchip公司的PIC16F818单片机。并对罗盘进行详细介绍。
2地磁场
由于地球本身具有磁性。在地球和近地空间之间存在磁场，称为地磁场。地磁场的强度为0.3高斯至0.6高斯，其大小和方向随地点(甚至随时间)而异。地磁场的北极、南极分别在地理南极、北极附近，彼此并不重合，而且两者间的偏差随时间缓慢变化。
本文设计的二维磁电子罗盘用于测量、计算磁场的方位角，并将其转换为电信号传输给移动机器人的控制器。此磁电子罗盘采用磁电阻传感器，移动机器人的控制器接收来自磁电阻传感器信号，此信号均为0 V～5 V模拟量，电压值的变化表现为航向角的不同，并且要求高可靠性和一定精度。
3各向异性磁阻传感器的测量原理
各向异性磁电阻效应是指对于强磁性金属(铁、钴、镍等及其合金)，当外加磁场平行于磁场内部磁化方向时，阻值不变；若外界磁场方向偏离时，则其阻值减小；如果把这类金属做成薄膜带状导线，当电流通过时，其阻值大小随内外两磁场的合成磁化方向与电流流向的相对关系变化，趋于同向时阻值增大，背向时阻值减小。由于坡莫(NiFe)合金在弱磁场下的电阻变化率较大，因此适用于弱磁场中。
KMZ52是Philips公司生产的一种磁阻传感器，是利用坡莫合金薄片的磁阻效应测量磁场的高灵敏度磁阻传感器。该磁阻传感器内置两个正交磁敏电阻桥、完整的补偿线圈和设置／复位线圈。补偿线圈的输出与当前测量结果形成闭环反馈，使传感器的灵敏度不受地域限制。这种磁阻传感器主要应用于导航、通用地磁测量和交通检测。该磁阻传感器在金属铝的表面沉积了一定厚度的高磁导率的坡莫合金，在翻转线圈和外界磁场两个力的作用下，电子改变运动方向，使得磁敏电阻的阻值发生变化。同时KMZ52的斑马条电阻成45°放置，这使得电子在正反向磁场力作用下有较好的对称性。由于加入了翻转磁场，KMZ52的变化曲线与普通的磁敏电阻不同，更加线性化。KMZ52磁阻传感器的核心部分是惠斯通电桥，是由4个磁敏感元件组成的磁阻桥臂。磁敏感元件由长而薄的坡莫合金薄膜制成。在外加磁场的作用下，磁阻的变化引起输出电压的变化。
如图1所示，KMZ52磁阻传感器的等效电路，其中，R1～R4的阻值均为R，供电电源为U。在外加偏置磁场H的作用下，R1和R4的磁化方向背向电流方向转动引起阻值减小。而R2和R3的磁化方向朝向电流方向转动，阻值增大△R。计算得：

(原文件名:1.jpg)

4磁电子罗盘的硬件设计
磁电子罗盘的硬件系统包括信号采集、信号处理、消磁电路、基准电压源和单片机等部分。其中信号处理包括一级放大、二级放大电位提升、滤波等3部分。采集到的信号经过放大滤波后送至单片机的A／D转换端口。经过单片机计算方向角后，传送至上位机，机器人的控制器对其处理。磁电子罗盘设计总体结构如图2所示。

(原文件名:2.jpg)

4.1翻转线圈
磁阻传感器在使用一段时间后或受到外界瞬时高强磁场影响时，其信噪比降低，输出信号幅度减弱。为消除这种影响，必须在电路设计时考虑使用翻转线圈。与其他需要外部线圈的磁阻传感器不同，KMZ52是通过内部的置位／复位电流带实现的。该电流带是一个线绕式线圈，当线圈上有电流通过时，产生的磁场耦合到电桥上。除了提高信噪比外，该电流带还具有减小温漂和非线性误差的作用。
使用置位／复位电流带需要施加置位／复位脉冲，简称S／R脉冲。需要注意的是，S脉冲与R脉冲对传感器的影响相同，唯一不同的是传感器输出信号的改变。这是因为磁阻传感器有两种工作方式。其中，工作方式1输出电压与磁场强度成正比，而工作方式2输出电压与磁场强度成反比。对于置位／复位电流带输入正向的脉冲电流磁阻传感器为工作方式1；反之则是工作方式2。产生S／R脉冲电路称为置位／复位脉冲电路，是采用磁阻传感器作为磁场传感器所特有的。由于干扰磁场的影响，传感器输出具有固定偏差，设地磁场磁感应强度为G，传感器输出为Vn，则传感器工作在方式1时，V1=G+A；工作在方式2时，V2=-G+A。由此可得：
G=(V1-V2)／2 (2)
由式(2)可知，电路可通过翻转线圈达到消除偏差的目的。加以1 A的脉冲电流即可重新校准或反置传感内的磁敏组件，该脉冲宽度可短至3μs。本设计在每次上电后，由单片机发送去磁复位指令，经过去磁驱动电路，发送脉冲电流至翻转线圈，完成复位。去磁电路是由简单的三极管驱动电路构成。
4.2放大电路
在5 V电源电压下，磁阻传感器KMZ52的灵敏度为65 V／T。考虑到地磁场水平方向的磁场强度约为0.03 mT，KMZ52在地磁场的输出电压仅2 mV。因此，需要放大其输出的电压信号。而通用运算放大器一般都具有毫伏级的失调电压和每度数微伏的温漂，不能直接放大微弱信号。因此，一级放大电路采用仪表放大器AD620。
一般信号放大应用中，采用差动放大电路即可满足需求，但精度低，且变更放大增益时，必须调整两只电阻，影响整个信号放大精度。而仪表放大电路则无上述缺点。图3所示仪表放大器是由3个放大器组成，其中，电阻R与Rx范围为1 kΩ～10 kΩ。由固定电阻R通过调节Rx来调整放大的增益。其关系式如式(3)所示，须注意避免每个放大器产生饱和现象(放大器最大输出为其工作电压)。

(原文件名:3.jpg)
磁阻传感器在地磁场中的输出范围为±2 mV，经AD620放大495倍后，变化范围为+990 mV，接近±1 V。二级放大电路采用LM324运放，构成同向加法器。经过二级运放后，电压提升2倍；再经电位提升2.5 V后，变化范围为0.5 V～4.5 V，符合单片机A／D转换要求。而电位提升电路所需2.5 V基准电压是由TL431三端可编程并联稳压二极管提供。
4.3数字信号处理器
磁电子罗盘的数字信号处理器采用Microchip公司的8位PIC16F818单片机，对经过信号调理的磁电阻传感器输出信号进行采样、转换、处理、存储，并通过SPI串行通信模块响应来自PC机的命令及向PC机传输磁场、方位角数据。另外，单片机还为去磁电路提供控制信号。PIC16F818单片机的指令处理速度能够达到8 MHz．内部集成5通道的10位A／D采样转换模块，此A／D转换模块属于逐次逼近式A／D转换，具有转换速度高、精度高等特点，非常适用于那些需要实时信号处理的机器人传感器信号处理。另外，单片机内部的SPI串行通信模块实现传感器与机器人上位机的同步通信，将方位角的实时信息传送至上位机进行处理。

(原文件名:4.jpg)

5磁电子罗盘的软件设计
电子罗盘的软件设计程序包括：初始化子程序、A／D转换子程序、区域判断子程序、角度计算子程序以及PWM信号发生子程序。A／D转换采用RA0，RA1端口，去磁脉冲由RB0端口发送。图4为软件设计主程序流程。

(原文件名:5.jpg)

其中，方位角计算是软件设计的关键。采用一般反三角函数逼近的计算方法则涉及汇编语言浮点除法，编程占用大量空间，并且不易调试。而且反三角一般的计算范围是180°。对于360°还要进行额外判断。本系统设计采用压缩映射算法计算方位角α。图5为压缩映射算法测量原理图。x、y分别表示磁阻传感器的x、y 轴上测得的磁场强度Hex、Hey。根据三角函数的轴对称性，先将0°～365°的情况压缩在0°～45°内进行查表，根据一定的规则将其重新映射至 0°～365°范围内。采用这种方法可避免浮点运算，提高计算速度，降低程序的复杂性。

(原文件名:6.jpg)
6 结束语
本文采用KMZ52磁阻传感器设计一种用于移动机器人定向用的电子罗盘。介绍了该电子罗盘的硬件系统，在信号调理电路中，采用内部线圈翻转和两级放大及电位提升电路，使传感器信号能够被PIC16F818经A／D转换后送到上位机处理。

shaozh · 发表于 2010-4-20 12:08:45

不错

tmpond · 发表于 2010-4-20 12:33:43

学习学习

dddengliyun · 发表于 2010-5-2 11:12:07

弱弱问一句，翻转线圈，置位/复位线圈，补偿线圈，都是什么啊？KMZ51里不是只有两个线圈吗？（一个翻转，一个补偿），那位大侠提点一下啊！！

sunzhaod · 发表于 2010-5-2 11:25:18

回复【4楼】dddengliyun 邓丽云
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你可以看看我发的这篇帖子
基于HMCl022磁阻传感器的数字电子罗盘的设计与实现
http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=3987129&bbs_page_no=1&search_mode=3&search_text=sunzhaod&bbs_id=9999
反转线圈是用于将磁阻传感器的输出特性反转，补偿线圈用于补偿环境磁场产生的误差。HMCl022磁阻传感器的Datasheet中有对此很详细的
介绍，还有利用翻转输出特性来消除误差的介绍，其实已经给出了电子指南针的简单实现方式。kmz52的datasheet介绍的不是很清楚，官方给出的应用电路图繁琐一些！！

huangdog · 发表于 2010-5-2 11:29:56

mark

timegate · 发表于 2010-5-7 13:42:06

收藏了

pkk007 · 发表于 2010-5-7 14:54:43

mark

673710663 · 发表于 2010-9-14 21:26:11

lghtjpu · 发表于 2010-11-21 23:31:19

mark
我是直接用了HMC5883，直接数字输出。
不知道KMZ52+KMZ51做下啦成本会不会低些？

lxw2087290 · 发表于 2010-11-29 14:51:58

MARK

albert_lu · 发表于 2010-12-7 17:18:09

mark

paul_guo · 发表于 2010-12-10 16:18:11

大家觉得PNI的磁传感器SEN-XY怎么样？

maxuedong · 发表于 2010-12-10 21:08:14

PNI的不错，挺容易做成功的，但手机等接近就变得很厉害，正在想办法抵消干涉磁场

chushichongyu · 发表于 2011-6-30 21:57:26

太喜欢这个帖子了，但是要是学的话会很久。。

dengxiaofeng · 发表于 2011-6-30 22:12:53

这个要顶！

zjihtt · 发表于 2011-9-19 19:37:49

mark

shield · 发表于 2011-9-19 20:32:49

mark

zhangjinxing · 发表于 2011-9-19 20:37:44

mark

基于KMZ52磁场传感器的“电子指南针”设计！！！！

阿莫论坛20周年了！感谢大家的支持与爱护！！