封維忠,楊 麗,何君君

(南京林業(yè)大學(xué)信息與科學(xué)技術(shù)學(xué)院,江蘇南京210037)

1 引 言

地磁場成形于地球內(nèi)部的磁物質(zhì).地磁場的強度根據(jù)位置的不同而在0.4×10-4～0.6×10-4T之間變動.它的分布狀態(tài)類似于棒磁鐵,磁場線從地球南極指向北極.磁極與地理極不一致,磁極根據(jù)地軸旋轉(zhuǎn)來定義,磁極與地軸間的角度大約為11.5°.電子指南針被廣泛的運用于導(dǎo)航設(shè)備中,所以尋求集成度高、且在地磁場強度范圍敏感的傳感器一直是設(shè)計高精度、使用方便的電子指南針需要解決的問題.近年來,國際上許多公司相繼推出了基于磁阻效應(yīng)(MR)[1-2]和巨磁效應(yīng)(GMR)[3]的磁敏傳感器芯片,本文采用無錫美新公司生產(chǎn)的MMC212xMG雙軸磁傳感器設(shè)計了高精度電子指南針.由于該芯片是帶有片上信號處理并集成了I2C總線的完整的傳感系統(tǒng),允許設(shè)備直接與微處理器相連而不需要A/D轉(zhuǎn)換器或定時器.它可以測量±2×10-4T的磁場范圍,用MMC212xMG雙軸磁傳感器設(shè)計的電子指南針具有芯片外圍電路簡單、功耗低、體積小的特點.

2 各向異性磁傳感器MMC212xMG

各向異性磁阻傳感器[4](AMR)是一種由沉淀在硅晶片上的導(dǎo)磁合金薄膜制成的特殊電阻.在制造過程中,用一強磁場施加在薄膜上,使得其磁疇與外磁場在同一方向上,建立磁化矢量.當被測磁場垂直地加在薄膜的邊緣上導(dǎo)致磁疇旋轉(zhuǎn)和改變角度,這個改變又導(dǎo)致薄膜的電阻發(fā)生變化.該AMR傳感器被包含在惠斯登電橋中,這樣電阻的變化可由差動電壓的變化檢測,并且可以測量所加磁場的強度.然而沿晶片磁化軸大于5.5×10-4T的外磁場可能會使磁疇倒置,從而改變傳感器特性.所以這時必須使用一個瞬時的強大修復(fù)磁場來恢復(fù)傳感器特性.該MEMSIC磁傳感器有一個片上的磁耦合線圈用來提供修復(fù)磁場.

各向異性磁阻傳感器MMC212xMG是雙軸磁傳感器,其結(jié)構(gòu)見圖1[1],是帶有片上信號處理并集成了I2C總線的完整的傳感系統(tǒng),允許設(shè)備直接與微處理器相連而不需要A/D轉(zhuǎn)換器或定時器.它可以測量±2×10-4T的磁場范圍,并在25℃,3 V時靈敏度為512×104計數(shù)/T.

圖1 MMC212xMG結(jié)構(gòu)框圖

3 電子指南針的基本原理

圖2是地球某一點的地球磁場向量He的三維圖[5](X Y平面與地球表面平行,Z軸垂直向下),電子指南針的基本任務(wù)就是測量He在X Y平面的投影Heh與HeX的夾角,即方位角α.從圖2可知α=arctan(HeY/HeX),因此,用磁敏傳感器分別測出HeY和HeX,就可以由上式算出方位角α,整個系統(tǒng)的方案設(shè)計圖如圖2所示.

圖2 地球磁場向量

4 電子指南針的硬件實現(xiàn)

I2C是一個工業(yè)標準雙向雙線接口總線,總線上的每個外圍設(shè)備都有一個設(shè)備地址,主I2C器件通過設(shè)備地址可以對外圍設(shè)備進行讀寫操作.I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL構(gòu)成的串行總線,可發(fā)送和接收數(shù)據(jù).開始數(shù)據(jù)傳送時,總線必須是空閑的,此時2條總線是一個高電平狀態(tài).I2C電路從屬模式已經(jīng)被植入此MEMSIC傳感器,并作為標準接口被客戶應(yīng)用.

使用AT89C52單片機作為主控制器[6],由于此單片機本身沒有I2C總線接口,所以采用I/O口P1.0和P1.1來分別虛擬I2C總線的數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL.采用MMC2120M082858磁傳感器芯片,對應(yīng)的7位設(shè)備地址為0110000.為了避免地址沖突,在同一總線上的磁傳感器設(shè)備在出廠時就有4種可編程地址(0110＊＊0).硬件電路如圖3所示.磁傳感器3腳VDA為電路和傳感器提供輸入電壓,直流電壓應(yīng)該在2.7～5.25 V之間;7腳VDD為I2C總線提供輸入電壓,通常為1.8 V并可兼容1.62～5.25 V.C2和C3為外加陶瓷電容,用于磁傳感器的置位/復(fù)位操作.R1和R2為上拉電阻結(jié)構(gòu),實現(xiàn)與運算.注意I2C總線的頻率一定要小于400 kHz.數(shù)據(jù)傳送開始時有開始信號,結(jié)束時有結(jié)束信號.開始信號定義為當SCL為高電平時,SDA由高電平向低電平跳變,開始傳送數(shù)據(jù).結(jié)束信號定義為當SCL為高電平時,SDA由低電平向高電平跳變,結(jié)束傳送數(shù)據(jù).在I2C系統(tǒng)中所有傳送的數(shù)據(jù)都是8位的,每個字節(jié)后必須跟上一個確認位,每個數(shù)據(jù)的傳送需要9個時鐘周期.數(shù)據(jù)傳送開始于MSB,在開始信號后,單片機通過7位設(shè)備地址0110000調(diào)用磁傳感器數(shù)據(jù).在7位地址之后,第8位是決定數(shù)據(jù)傳送方向,“1”表示主設(shè)備從所選擇的磁傳感器設(shè)備中讀出信息,“0”則表示主設(shè)備把信息寫入到所選擇的磁傳感器設(shè)備中.接著磁傳感器需給SDA線一個低電平作為確認信號.為了讀出磁傳感器中的信號,單片機需要向磁傳感器的8位內(nèi)部寄存器(00H)中寫入代碼01H,表示讀出磁傳感器信息的喚醒操作.磁傳感器收到讀命令后就開始把8位數(shù)據(jù)傳送到I2C總線上.收到主設(shè)備發(fā)過來的確認信號后,磁傳感器就繼續(xù)傳送下個字節(jié)數(shù)據(jù).重復(fù)相同的過程直至4個字節(jié)的數(shù)(MSBX軸,LSBX軸,MSB Y軸,LSBY軸)都被傳送到主設(shè)備為止.

圖3 指南針硬件電路圖

5 電子指南針的軟件實現(xiàn)

根據(jù)磁傳感器的I2C總線的時序要求編寫程序.在執(zhí)行開始測量指令之前,一定要給磁傳感器至少50μs的時間去完成置位/復(fù)位操作.置位/復(fù)位線圈的流程圖如圖4所示.在置位/復(fù)位線圈的流程的第3個周期,單片機向磁傳感器的內(nèi)部寄存器寫入02H表示是啟動置位命令,或?qū)懭?4H表示是啟動復(fù)位命令.然后進入測量操作,讀出磁傳感器輸出的X軸和Y軸的值.測量過程主要分為兩大步:第一步是磁傳感器的喚醒操作,第二步是單片機發(fā)讀命令讀入磁傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù).喚醒操作過程是單片機首先向磁傳感器發(fā)送寫入命令60H,接著單片機向磁傳感器發(fā)送寫入的目標寄存器地址00H,最后發(fā)送要寫入的命令01H.喚醒操作完成后單片機向磁傳感器發(fā)送61H讀命令進入第二步,單片機開始接收磁傳感器發(fā)送過來的數(shù)據(jù).

圖4 置位/復(fù)位流程圖

我們從磁傳感器直接讀出的X軸和Y軸的值HX和HY均是非負值.因為這個磁傳感器芯片沒法輸出負值,所以芯片輸出值是將X軸和Y軸的真實值加上一個固定偏移Offset,所以輸出的X軸和Y軸的真實值等于芯片輸出值減Offset,Offset理論值為2 048.由于磁傳感器周圍存在磁干擾(硬磁干擾、軟磁干擾),使得所測的當?shù)卮艌鍪钱數(shù)氐牡卮艌龊彤數(shù)氐母蓴_磁場的矢量和.為了提取所要測量的當?shù)氐卮艌?還需要進一步校準程序.校準的方法是在測量之前水平將磁傳感器旋轉(zhuǎn)1圈,得到X Y軸的最大最小值HXmax,HXmin和HYmax,HYmin,從而求出以下幾個參量的真實值:

Sensitivity是靈敏度,理論值是512×104T,但是實際情況中2個軸的靈敏度是有差別的.HXcal和HYcal就是校正后消除靈敏度影響的真實值.然后根據(jù)公式α=arctan(HYcal/HXcal)求出方位角,并進行角度處理,把角度擴展到0～360°,最后進行數(shù)值轉(zhuǎn)換,十進制數(shù)送顯示緩沖區(qū)顯示相應(yīng)角度.單片機程序采用Keil C[7]編程,程序流程圖如圖4～5所示.

圖5 測量流程圖

6 結(jié)果與誤差分析

設(shè)某地地磁場強度He=0.5×10-4T,方向與地磁傳感器X軸重合,α=arctan(HeY/HeX)=0,當?shù)卮艂鞲衅鱔軸與地磁場方向偏轉(zhuǎn)1°時,ΔHeY=HesinΔ α=8.72×10-3,MMC2120地磁傳感器的分辨率為1×10-4T/512計數(shù),最小檢測量M=1.95×10-7T,考慮到測量系統(tǒng)的最大誤差為±1個計數(shù),故該地磁傳感器的分辨角小于0.5°.以上的誤差分析的條件是傳感器的X-Y軸平面與水平面平行,考慮一般情況,該系統(tǒng)的誤差應(yīng)小于1°.如果要近一步提高其測量精度,必需同時測量出地磁場He的X,Y,Z分量,來計算地球磁場的HeX和HeY(水平平面中)方向的分量[5].

電子指南針電路經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試后,進行了實際測量.東南西北4個方向?qū)?yīng)的角度分別為:91°,180°,270°和1°,所以結(jié)果 顯示存在±1°的誤差在合理范圍內(nèi).結(jié)果表明本文設(shè)計達到了預(yù)定的要求.

[1] 林繼鵬,王君,凌振寶,等.HMC1001型磁阻式傳感器及應(yīng)用[J].傳感器技術(shù),2002,21(3):51-52.

[2] 王國余,張欣,景亮.新型磁阻傳感器在地磁場測量中的應(yīng)用[J].傳感器技術(shù),2002,21(10):43-45.

[3] 湯玉林,李俊文,瞿光杰.利用GMR效應(yīng)的電子指南針[J].數(shù)字采集與處理,2005,20(3):342-345.

[4] 裴軼,虞南方,劉奇,等.各向異性磁阻傳感器的原理及應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2004,(8):26-28.

[5] 朱學(xué)斌.基于MAX155和KMZ52的電子指南針的實現(xiàn)[J].魯東大學(xué)學(xué)報,2006,22(4):300-302.

[6] 李廣弟,朱月秀.單片機基礎(chǔ)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001.

[7] 謝維成,楊加國.單片機原理及C51程序設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[8] 胡修林,余凱軍,楊奇.高精度電子指南針的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機與數(shù)字工程,2007,35(1):157-159.