用磁場(chǎng)傳感器KMZ52設(shè)計(jì)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(xì)論述了磁場(chǎng)傳感器芯片KMZ52的工作原理,給出了用KMZ52磁場(chǎng)傳感器設(shè)計(jì)電子指南針的總體設(shè)計(jì)方案和電路,同時(shí)給出了設(shè)計(jì)中的一些特殊處理方法。
關(guān)鍵詞：電子指南針;磁場(chǎng)傳感器;KMZ52
１ 概述
指南針是一種重要的導(dǎo)航工具,可應(yīng)用在多種場(chǎng)合中。電子指南針內(nèi)部結(jié)構(gòu)固定,沒(méi)有移動(dòng)部分,可以簡(jiǎn)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(diǎn)得到了廣泛運(yùn)用。
Ｐｈｉｌｉｐｓ公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體器件ＫＭＺ５２是一種專(zhuān)門(mén)用于電子指南針的二維磁場(chǎng)傳感器。它采用磁場(chǎng)傳感器的磁阻（ＭＲ）技術(shù),并用翻轉(zhuǎn)技術(shù)消除信號(hào)偏移,而用電磁反饋技術(shù)來(lái)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(lái)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(shè)計(jì),同時(shí)給出了其抗干擾設(shè)計(jì)以及信號(hào)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(bǔ)償線圈。由于環(huán)境溫度可能會(huì)影響系統(tǒng)精度,因此,在高精度系統(tǒng)中,可以通過(guò)補(bǔ)償線圈對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。ＫＭＺ５２內(nèi)部有兩個(gè)正交的磁場(chǎng)傳感器 分別對(duì)應(yīng)二維平面的Ｘ軸和Ｙ軸。磁場(chǎng)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(chǎng)中的電阻系數(shù)。以便在磁場(chǎng)傳感器的翻轉(zhuǎn)線圈Ｚ１和Ｚ２上加載翻轉(zhuǎn)電信號(hào)后使之能夠產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。由于該變化磁場(chǎng)會(huì)造成磁阻變化（ΔＲ）０并將其轉(zhuǎn)化成變化的差動(dòng)電壓輸出,這樣,就能根據(jù)磁場(chǎng)大小正比于輸出差動(dòng)電壓的原理,分別讀取對(duì)應(yīng)的兩軸信號(hào),然后再進(jìn)行處理計(jì)算即可得到偏轉(zhuǎn)角度。
整個(gè)電子指南針系統(tǒng)主要由傳感器單元、信號(hào)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(shè)計(jì)框圖如圖２所示。圖中,磁場(chǎng)傳感器ＫＭＺ５２用于將地磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出,信號(hào)調(diào)整單元用于將磁場(chǎng)傳感器單元中的輸出信號(hào)成比例放大,并將其轉(zhuǎn)換成合適的信號(hào)ｈｅｘ和ｈｅｙ,同時(shí)消除信號(hào)的偏移。對(duì)于保證系統(tǒng)的精度來(lái)說(shuō),ＳＣＵ是最重要的部件。通過(guò)ＤＤＵ可將信號(hào)調(diào)整單元輸出的兩路信號(hào)ｈｅｘ和 ｈｅｙ進(jìn)行放大,然后再按下式計(jì)算出偏轉(zhuǎn)角度α：
α＝ａｒｃｔａｎｈｅｙ／ｈｅｘ
這樣根據(jù)抗干擾技術(shù)算法對(duì)α進(jìn)行處理就可得出該磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)角度,最后通過(guò)顯示單元進(jìn)行輸出。
３ 硬件設(shè)計(jì)
該電子指南針系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)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(dòng)電壓,通過(guò)運(yùn)算放大器可以成比例放大,因此,在測(cè)量地磁場(chǎng)信號(hào)時(shí),為了將兩個(gè)磁場(chǎng)傳感器信號(hào)放大同樣的倍數(shù),可以將二者的翻轉(zhuǎn)線圈串聯(lián),并對(duì)差動(dòng)電壓選用同樣的運(yùn)放結(jié)構(gòu)。翻轉(zhuǎn)信號(hào)從①口輸入,Ｘ、Ｙ軸差動(dòng)電壓信號(hào)則分別從②、③口輸出。然后通過(guò)處理系統(tǒng)對(duì)傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行Ａ／Ｄ采樣、數(shù)值處理和校正后,即可得到所求的角度。
