龔天平，時(shí)劭華

（1.東方微磁科技有限責(zé)任公司，宜昌 443003；2.杭州電子科技大學(xué) 磁電子中心）

引 言

羅盤(pán)是一種常用的導(dǎo)航工具，從原理上可以分為機(jī)械羅盤(pán)和電子羅盤(pán)。機(jī)械羅盤(pán)曾在人類(lèi)歷史上發(fā)揮了巨大作用，但是時(shí)至今日，人類(lèi)已經(jīng)全面邁入了電氣化時(shí)代，交通工具大都是鐵磁性物體，磁干擾較大，傳統(tǒng)的機(jī)械羅盤(pán)由于無(wú)法校準(zhǔn)環(huán)境干擾誤差，在車(chē)載等領(lǐng)域中誤差較大，實(shí)用性較差。

本文研究了一款基于GMR傳感器的車(chē)載二維電子羅盤(pán)。本羅盤(pán)體積較小，精度較高，具有一定抗干擾能力。經(jīng)實(shí)測(cè)，精度可達(dá)±2°；消耗電流為3mA以?xún)?nèi)；在強(qiáng)干擾環(huán)境下，通過(guò)校準(zhǔn)可以保證在±3°以?xún)?nèi)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

1 自旋閥GMR傳感器特性

本設(shè)計(jì)選用東方微磁公司自主研發(fā)的二維自旋閥GMR傳感器SAS022作為電子羅盤(pán)的磁敏元件。該傳感器內(nèi)部封裝了兩個(gè)敏感軸相互垂直的自旋閥器件。自旋閥器件采用惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，由4個(gè)自旋閥電阻組成，其中兩個(gè)電阻被軟磁材料屏蔽，另外兩個(gè)電阻可在外磁場(chǎng)的作用下發(fā)生變化從而使電橋失衡，形成輸出。經(jīng)測(cè)試，SAS022自旋閥傳感器在－10～＋10Oe的響應(yīng)應(yīng)曲線如圖1所示，在－1～＋1Oe的響應(yīng)曲線如圖2所示。

圖1 SAS022在－10～＋10Oe的響應(yīng)曲線

在－10～＋10Oe范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度為3.67 mV／（V·Oe），磁滯為0.3%；在－1～＋1Oe范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度為3.67mV／（V·Oe），磁滯為0.27%，非線性度為0.37%。地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.6Oe內(nèi)，SAS022在±1Oe內(nèi)線性度較好，可滿(mǎn)足通用電子羅盤(pán)對(duì)傳感器的要求。

圖2 SAS022在－1～＋1Oe的響應(yīng)曲線

2 二維電子羅盤(pán)硬件設(shè)計(jì)

二維電子羅盤(pán)硬件部分主要包括傳感器部分、RC低通濾波器、信號(hào)處理部分和電源部分，電子羅盤(pán)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 電子羅盤(pán)硬件結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)使用MSP430AFE253單片機(jī)內(nèi)部自帶的Δ－Σ A／D進(jìn)行信號(hào)放大和模／數(shù)轉(zhuǎn)換。MSP430AFE253內(nèi)部集成了3個(gè)獨(dú)立的Δ－ΣA／D模塊，保證精度的同時(shí)確保了轉(zhuǎn)換速率。電源芯片使用低壓差線性穩(wěn)壓模塊LP2980－3.0，SOT－23封裝，經(jīng)實(shí)測(cè)羅盤(pán)電流為3mA，可滿(mǎn)足散熱要求。針對(duì)選用調(diào)理方案進(jìn)行地回路隔離設(shè)計(jì)，確保精度。

2.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

Δ－ΣA／D是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一種，其構(gòu)架決定了這種轉(zhuǎn)換器非常適合于橋式傳感器的信號(hào)調(diào)理，本設(shè)計(jì)采用這種調(diào)理方案。Δ－ΣA／D的結(jié)構(gòu)圖如圖4[1]所示。

圖4 Δ-ΣA／D結(jié)構(gòu)圖

這種構(gòu)架的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器通過(guò)過(guò)采樣提高分辨率。由于輸入信號(hào)被高于輸出轉(zhuǎn)換速率K倍進(jìn)行采樣，信號(hào)在頻域中由采樣產(chǎn)生的F（ω）分量之間的帶寬大于奈奎斯特定律要求的帶寬，這樣可以簡(jiǎn)化模擬輸入濾波器設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)選用RC低通濾波器即可保證精度。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)比較器后，轉(zhuǎn)換為1位碼流，單個(gè)1位碼流沒(méi)有任何意義，需要后端的數(shù)字濾波器進(jìn)行加權(quán)平均和數(shù)字濾波。1位碼流通過(guò)1位DAC反饋，與輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)減法器輸入到積分器中，再經(jīng)過(guò)比較器轉(zhuǎn)換成1位碼流信號(hào)。

通過(guò)過(guò)采樣可以提高分辨率，但是使用傳統(tǒng)的方法需要4次過(guò)采樣才能提高1位有效分辨率[2]，如果要達(dá)到20位的有效分辨率，需要22×20次采樣。Δ－ΣA／D內(nèi)部的積分器相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，將低頻信號(hào)噪聲平移到高頻。假設(shè)輸入信號(hào)為X、輸出信號(hào)為Y，積分器響應(yīng)函數(shù)為H（f）＝1／f。積分器傳遞函數(shù)如圖5所示，可以進(jìn)行如下推導(dǎo)：

由公式可以得出，當(dāng)f越接近0Hz時(shí)，Y越接近X；當(dāng)f越大時(shí)，Y就越接近量化噪聲[3]。

圖5 積分器傳遞函數(shù)

MSP430AFE253內(nèi)部集成的是二階Δ－ΣA／D。階數(shù)越多，在帶寬內(nèi)量化噪音越小，得到相同的分辨率就只需要較少的采樣次數(shù)。階數(shù)越高，量化噪音平移效果越好，如圖6所示。

圖6 階數(shù)與量化噪音平移效果圖

由于Δ－ΣA／D內(nèi)部自帶放大器采用開(kāi)關(guān)電容實(shí)現(xiàn)，RC低通濾波器的時(shí)間常數(shù)會(huì)影響到A／D轉(zhuǎn)換器的失調(diào)誤差和線性度[4]，因此要根據(jù)不同的放大倍數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。MSP430AFE253內(nèi)部自帶最大放大32倍的PGA，本設(shè)計(jì)將其配置為32倍。電阻選用100Ω，電容選擇1nF。

2.2 電源部分設(shè)計(jì)

電源芯片選用SOT－23封裝的低壓差線性穩(wěn)壓芯片LP2980－3.0，最大輸入電壓為16V，當(dāng)輸出電流在10mA以?xún)?nèi)時(shí)，最小壓差可以低至100mV。實(shí)測(cè)本羅盤(pán)工作電流為3mA，假設(shè)當(dāng)輸入電壓為16V時(shí)，為保證LP2980－3.0的散熱，最大的外部環(huán)境溫度為：

SOT－23封裝的θJA＝220 ℃／W；LP2980－3.0最大工作溫度TJ（MAX）＝125℃；當(dāng)輸入電壓為16V時(shí)，最大功耗P＝0.039W。由以上公式得出，SOT－23封裝LP2980－3.0最高可以工作在外部123℃的環(huán)境中。

電源芯片為系統(tǒng)提供3V電壓，將其分割為模擬電源和數(shù)字電源，對(duì)其各自所屬器件單獨(dú)供電。PCB布板時(shí)，將模擬地與數(shù)字地分割，使用0Ω電阻在一點(diǎn)連接[5]，防止高頻數(shù)字電流灌入模擬地[6]，影響模擬器件性能。

3 測(cè)試結(jié)果分析

本羅盤(pán)在國(guó)防科技工業(yè)弱磁一級(jí)計(jì)量站進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試無(wú)干擾和有干擾情況下羅盤(pán)精度。

第一步，保證羅盤(pán)周?chē)鷽](méi)有鐵磁物體，測(cè)試前先發(fā)送測(cè)試指令，將羅盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周進(jìn)行校準(zhǔn)。第二步，在羅盤(pán)周?chē)胖靡粔K鐵磁物體，羅盤(pán)不再校準(zhǔn)測(cè)試。第三步，鐵磁物體與羅盤(pán)保持相對(duì)位置不變，發(fā)送校準(zhǔn)指令，旋轉(zhuǎn)羅盤(pán)進(jìn)行校準(zhǔn)，再測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表1所列。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以得出，在無(wú)干擾情況下精度可達(dá)＋1.7°～－1.5°。當(dāng)外部有較強(qiáng)的鐵磁干擾時(shí)，電子羅盤(pán)的精度會(huì)受到很大干擾，實(shí)用價(jià)值較低。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)精度為＋2.5°～－2.5°，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

結(jié) 語(yǔ)

電子羅盤(pán)目前一個(gè)較為熱門(mén)的應(yīng)用方向是與GPS結(jié)合使用，但是功耗、價(jià)格、體積和精度等因素將制約其應(yīng)用范圍。針對(duì)不同的設(shè)計(jì)應(yīng)將這些要點(diǎn)折中考慮，使其應(yīng)用價(jià)值最大化[7－8]。

[1] Bonnie Baker.A Baker＇s Dozen：Real Analog Solutions for Digital Designers[M].Oxford：Newnes，2005.

[2] W R Bennett.Spectra of Quantized Signals[J].Bell System Technical Journal，1948（27）：446－471.

[3] Walt Kester.Data Conversion Handbook[M].Oxford：Newnes，2005.

[4] Silicon Laboratories Inc.C8051F35XDelta－Sigma ADC User'S Guide，2005.

[5] Intersil Corporation.Instrumentation Amplifier Application Note，2009.

[6] 經(jīng)緯，魏麗麗，王力.PCB地平面的分割[J].印制電路信息，2007（3）：39－43.

[7] Li XiSheng，Kang RuiQing，Shu XiongYing.Tilt－Induced－Error Compensation for 2－Axis Magnetic Compass with 2－Axis Accelerometer[C]∥World Congress on Computer Science and Information Engineering，Los Angeles／Anaheim，2009：122－125.

[8] JianCheng Fang，HongWei Sun，Juanjuan Cao.A Novel Calibration Method of Magnetic Compass Based on Ellipsoid Fitting[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2011，60（6）：2053－2061.