馮延濤

（長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院 434000）

淺談電子指南針設(shè)計(jì)應(yīng)用

馮延濤

（長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院 434000）

指南針起源于我國(guó)古代四大發(fā)明之一的“司南”，發(fā)展到現(xiàn)代的機(jī)械指針式指南針，是非常重要的導(dǎo)航工具。隨著電子科技技術(shù)的發(fā)展，電子指南針的研發(fā)讓指南針在便攜性、靈敏度、精度以及使用壽命上都有一定的提高。本文重點(diǎn)討論了電子指南針的功能特點(diǎn)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和實(shí)際應(yīng)用。

電子指南針；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

前言

電子指南針相較于機(jī)械指針式指南針，有很明顯的性能優(yōu)勢(shì)，原因是電子指南針內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常固定，磁傳感器和專用芯片的應(yīng)用讓電子指南針擁有電子科技產(chǎn)品特有的高精度和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，與此同時(shí)，新型只能電子指南針增加了抗干擾和信號(hào)數(shù)據(jù)處理功能，進(jìn)一步地?cái)U(kuò)大了指南針的應(yīng)用范圍。

1 電子指南針的種類和原理總結(jié)

電子指南針是電子信息科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物，其誕生到發(fā)展過程中也出現(xiàn)了不同的系統(tǒng)硬件配置，主要體現(xiàn)在傳感器的選擇上。在這里我們主要例舉三種：①利用兩軸磁傳感器HMC1052，HMC1052是一個(gè)雙軸線性磁傳感器，和其它HMC10XX系列傳感器一樣，每個(gè)傳感器都有一個(gè)由磁阻薄膜合金組成的惠斯通橋，當(dāng)橋路加上供電電壓，傳感器將磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓輸出，包括環(huán)境磁場(chǎng)和測(cè)量磁場(chǎng)，HMC1052包含兩個(gè)敏感元件，它們的敏感軸互相垂直。敏感元件A和B，共存于單硅芯片中，完全正交，且參數(shù)匹配。HMC1052的尺寸小，低工作電壓，而且消除了兩個(gè)敏感元件引起的非正誤差。除了惠斯通電橋，HMC1052有兩個(gè)位于芯片上的磁耦合帶，偏置帶和置位/復(fù)位帶。敏感元件A和B，都有這兩個(gè)帶，置位/復(fù)位帶，用于確保精度。偏置帶，用于校正傳感器，或偏置任何不想要的磁場(chǎng)，在標(biāo)準(zhǔn)的10針外形（MSOP）中，兩個(gè)敏感元件可以獨(dú)立上電，用于減少功耗；②采用Philips公司生產(chǎn)的KMZ52感應(yīng)磁場(chǎng)傳感器，KMZ52是Philips公司生產(chǎn)的一種磁阻傳感器，是利用坡莫合金薄片的磁阻效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)的高靈敏度磁阻傳感器。該磁阻傳感器內(nèi)置兩個(gè)正交磁敏電阻橋、完整的補(bǔ)償線圈和設(shè)置/復(fù)位線圈。補(bǔ)償線圈的輸出與當(dāng)前測(cè)量結(jié)果形成閉環(huán)反饋，使傳感器的靈敏度不受地域限制。這種磁阻傳感器主要應(yīng)用于導(dǎo)航、通用地磁測(cè)量和交通檢測(cè)。該磁阻傳感器在金屬鋁的表面沉積了一定厚度的高磁導(dǎo)率的坡莫合金，在翻轉(zhuǎn)線圈和外界磁場(chǎng)兩個(gè)力的作用下，電子改變運(yùn)動(dòng)方向，使得磁敏電阻的阻值發(fā)生變化。同時(shí)KMZ52的斑馬條電阻成45°放置，這使得電子在正反向磁場(chǎng)力作用下有較好的對(duì)稱性。由于加入了翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，KMZ52的變化曲線與普通的磁敏電阻不同，更加線性化。KMZ52磁阻傳感器的核心部分是惠斯通電橋，是由4個(gè)磁敏感元件組成的磁阻橋臂。磁敏感元件由長(zhǎng)而薄的坡莫合金薄膜制成。在外加磁場(chǎng)的作用下，磁阻的變化引起輸出電壓的變化；③使用霍尼韋爾HMC5883L各向異性磁阻傳感電路，霍尼韋爾HMC5883L是一種表面貼裝的高集成模塊，并帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片，應(yīng)用于低成本羅盤和磁場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域。HMC5883L是采用無鉛表面封裝技術(shù)，帶有16引腳，尺寸為3.0m×3.0m×0.9mm。HMC5883L的所應(yīng)用領(lǐng)域有手機(jī)、筆記本電腦、消費(fèi)類電子、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)和個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)。HMC5883L采用霍尼韋爾各向異性磁阻（AMR）技術(shù)，該技術(shù)領(lǐng)先于其他磁傳感器技術(shù)。這些各向異性傳感器具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點(diǎn).傳感器具有的對(duì)正交軸的低靈敏度的固相結(jié)構(gòu)能用于測(cè)量地球磁場(chǎng)的方向和大小，其測(cè)量范圍從毫高斯到8高斯?；裟犴f爾的磁傳感器在低磁場(chǎng)傳感器行業(yè)中是靈敏度最高和可靠性最好的傳感器。

2 電子指南針的模塊化設(shè)計(jì)與應(yīng)用探索

電子指南針產(chǎn)品從研發(fā)到成型，是需要模塊化程序設(shè)計(jì)以控制其功能表達(dá)的。要使得電子指南針能夠正常工作，其單片機(jī)、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路是必須完整的。單片機(jī)的選擇，很多設(shè)計(jì)者采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)，宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S），針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。一般時(shí)鐘電路是采用單片機(jī)內(nèi)部工作時(shí)產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)，另外接一個(gè)石英晶體振蕩器和微調(diào)電容來實(shí)現(xiàn)的，二者構(gòu)成穩(wěn)定的的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部的時(shí)鐘電路。復(fù)位電路一般采用的是按鍵復(fù)位模式，利用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)，人工通過按鍵發(fā)號(hào)指令。

其次是需要串口電路與PC連接，以及一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊用于人工讀取，這樣就能在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上體現(xiàn)出電子顯示、信息處理和人工操作的完整性。在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后，人機(jī)界面和產(chǎn)品外觀的設(shè)計(jì)就是下一階段的內(nèi)容了，不同的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和公司在產(chǎn)品理念上也有所不同，所以人機(jī)交互和產(chǎn)品外觀主要是電子科技產(chǎn)品設(shè)計(jì)的商業(yè)創(chuàng)新階段，主流設(shè)計(jì)公司都在追求產(chǎn)品功能簡(jiǎn)約化的風(fēng)格，以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段研究電子指南針的主要應(yīng)用是提供地磁導(dǎo)航功能，相對(duì)于其他導(dǎo)航手段而言，地磁導(dǎo)航起步得比較晚。美國(guó)目前已開發(fā)出地面和空中定位精度優(yōu)30m水下定位精度優(yōu)于500m的地磁導(dǎo)航系統(tǒng)，并計(jì)劃用于提高飛航導(dǎo)彈和巡航魚雷的命中率。國(guó)內(nèi)有關(guān)地磁導(dǎo)航的研究還主要集中在仿真和預(yù)研階段，航天科工集團(tuán)三院的李素敏等人運(yùn)用平均絕對(duì)差法對(duì)地面所測(cè)量的地磁強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行了匹配運(yùn)算，分辨率能達(dá)到50m；西北工業(yè)大學(xué)的晏登洋等人利用地磁導(dǎo)航校正慣性導(dǎo)航的仿真實(shí)驗(yàn)取得了較高的精度。另外，地磁場(chǎng)模型與地磁圖是研究電子式指南針制導(dǎo)技術(shù)的基礎(chǔ)，地磁場(chǎng)建模和地磁圖的精確程度是決定地磁導(dǎo)航技術(shù)是否可行的關(guān)鍵因素。

3 結(jié)語(yǔ)

電子指南針體現(xiàn)了電子信息技術(shù)服務(wù)于生活實(shí)際的潛在價(jià)值，在未來軍事、航空航天、地理勘探和醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域，電子指南針高精度的特點(diǎn)將會(huì)發(fā)揮重要的作用。

[1]郭檢柟.基于磁阻芯片和MSP430單片機(jī)的電子羅盤設(shè)計(jì)[J].信息與電子工程，2010（01）.

[2]武建軍，封維忠，于瑋.基于MEMS三維磁阻傳感器的電子指南針的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011（08）.

[3]郭檢柟.基于磁阻芯片和MSP430單片機(jī)的電子羅盤設(shè)計(jì)[J].信息與電子工程，2010（01）.

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2016-2-10