[发明专利]一种磁阻式电子罗盘测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁阻式电子罗盘测量系统。 

背景技术

磁罗盘是导航系统和需要精确测向的定位系统中不可缺少的重要组成部分，它能实时提供活动物体的航向和姿态，根据磁阻效应和地球磁场的大小来确定方向。电子罗盘又称数字罗盘，它的产生正是为弥补GPS系统的不足而设计的，结合组成复合定位系统。电子罗盘是利用地磁场来测量方位的，在静止或移动状态能给出方位信息，且不受高大阻挡物的影响，因此高精度的姿态测量可以对GPS有效的补偿，即使在GPS信号失效后也能给出正确的航向，保证导航定位信息的有效，做到丟星不丢向。其优势体现在体积小、重量轻、结构简单、成本低等。同时，电子罗盘所需的敏感元件工艺较成熟，在研制技术方面具有巨大的优势。 

电子罗盘的原理是通过测量地球磁场确定方位，按其测量磁场的传感器种类不同，目前市售的电子罗盘可分为以下三种:磁通门式、霍尔效应式和磁阻效应式电子罗盘。按照传感器形式的不同，磁罗盘分为磁通门罗盘和电子罗盘两种。 

随着单片机技术的广泛应用和集成电路(IC)工艺技术的迅速发展，MEMS(微机电系统技术)这一新兴技术应用到小型化飞行物体上的条件变得越来越成熟，同时也为实现电子罗盘的数字化奠定了基础。 

磁阻效应是指某些金属或半导体在磁场中电阻值随着磁场大小的增加而升高的现像，这种现象在横向和纵向磁场中都能观察到，因此，可以通过测量电 阻的变化来间接测量磁场的大小。 

美国Honeywell(霍尼韦尔）公司采用对传感器进行交替正向磁化和反向磁化的方法以消除迟滞误差和零点温度漂移通过在传感器芯片上放置电流带对薄膜进行再充磁来消除外界大磁场对传感器输出特性的影响，并且拥有这项技术的专利。因此磁阻传感器在测量弱磁场以及基于弱磁场的地磁导航、磁航向系统研制、位置检测等方面显示出巨大的优势，以至于虽然它的出现远比半导体磁敏电阻、霍尔器件等晚，但发展迅速，在航天、航空、航海、工业、医疗仪器等诸多领域有着广泛的应用前景。 

目前，我国的磁阻式电子罗盘多为进口，国内生产和销售电子罗盘的厂家基本都以代理国外品牌为主，如上海直川科技、北京的星网宇达等。国内九十年代才开始电子罗盘的研究。北京理工大学基于LabVIEW虚拟仪器平台开发设计了一种测量三轴姿态的虚拟数字罗盘模型，其传感器单元由三轴加速度计和三 

轴陀螺构成，仿真效果较好；北京航空航天大学正在研制一种姿态敏感器，内部集成了三轴磁场计和双轴电解倾斜仪，可以测量航向角、俯仰角、滚动角以及三维磁感应强度值。 

本发明的目的在于研制一款体积小、质量轻、精度高、价格低廉的高精度电子罗盘。项目以地磁定向原理为基础，结合传感器技术，运用现代计算机技术和测试技术，采用模块化、结构化设计方法，以嵌入式处理器为核心构建控制系统实现对传感器的信号采集、分析及处理。 

本发明中的电子罗盘是基于ADI公司的三轴加速度计ADXL330和Honeywell公司的各向异性磁阻传感器HMC5883L组成的。采用FPGA单片机采集处理传感器信号，经过数据预处理和算法补偿后，罗盘系统精度基本上 可以达到±1°。该罗盘结构简单、体积小、重量轻，实验证明，该系统有很好的推广和利用价值。 

发明内容

本发明的目的在于提出一种数字电子罗盘测量系统，该罗盘结构简单、体积小、重量轻，将罗盘精度最大误差从10.5°提高到了1°左右，实验证明，该系统有很好的推广和利用价值。 

为达此目的，本发明采用以下技术方案： 

本发明包括：由三轴磁传感器、三轴MEMS加速度计、参考电源、单片机、调理电路、串行通信电路等主要部分组成。 

三轴磁传感器为为带有I²C总线接口的三轴数字磁阻传感器，内部具有12位A/D转换器，并且内置偏置和驱动器置位/复位电路。采用4mm×4mm×1．3mm的LCC封装，体积小、质量轻、价格低、电路设计简单。R3，R4为I2C总线上拉电阻器，DRDY为数据准备好中断，接控制器FPGA的107号管脚。电容C3，C5加上传感器片内的ASIC电路中的H电桥驱动电路可以产生电流脉冲，使片上的置位/复位电流带产生磁场给传感器去磁和极性翻转，能够把磁阻传感器恢复到测量磁场的高灵敏度状态。 

三轴MEMS加速度计ADXL345为三轴数字加速度计，内置A/D转换器，可以对高达±16g（地球加速度）的加速度信号进行高分辨率(13位)测量，并且兼容SPI和I2C总线接口。芯片采用3mm×5mm×1mm的LGA封装，体积小、成本低、分辨率高、测量范围宽。