基于GMR传感器的三轴电子罗盘

电子罗盘是-种新型的重量轻、体积孝稳定性高 、可靠性好的姿态检测拈，广泛应用于航空 、航天、航海、车辆导航 、智能终端设备等领域 ↑年来，智能手机、平板电脑和游戏机等消费电子设备的导航功能已经使电子罗盘变成标准配置 ，从而对电子罗盘的市场需求也不断增加。

目前应用最多的测量地磁场的传感器主要有 3种：磁通门传感器、霍尔传感器、AMR传感器。磁通门传感器磁场分辨力高、受铁磁物体干扰小，但它们体积大、频响特性差。霍尔传感器量程大但灵敏度低、温度性能差。AMR传感器是目前在电子罗盘中应用最多的-类传感器，但其需要置位/复位电路来消除磁滞，从而使后端处理电路变得复杂。GMR传感器属于- 类新型的传感器，与AMR传感器相比，具有体积孝灵敏度高、线性度好、磁场分辨率高、接口电路简单等诸多优点，更适合于电子罗盘的应用，代表了未来电子罗盘的发展方向 。

本研究提出-种基于GMR传感器的电子罗盘测量系统，采用-个两轴的GMR传感器和单轴的GMR传感器测量磁场矢量 ，结合三轴加速度传感器测定航向角、俯仰角和横滚角。针对传感器的制造误差和环境中存在的磁场干扰，提出-种带有 自动校准功能和磁场补偿的校准方法 ，能够有效地提高电子罗盘的测量精度。

1 三轴电子罗盘的硬件设计巨磁阻电子罗盘总体设计结构如图1所示，主要包括传感器及信号调理电路部分和微控制器及外围电路部分 。系统首先采集三轴GMR传感器和三轴加速度传感器的信号，由于GMR传感器输出的信号在几个毫伏左右，本研究需要通过信号调理电路进行信号的放大滤波，并与加速度传感器得到的经过滤波后的信号-起送到微控制器进行A/D转换，并将处理后的数字信号进行软件数字滤波、航向和姿态解算、误差- .。

3黼.3V16源V)三轴GMR 信号传感器 调理 --电路- - - --微控制器(MCU)- .。

三轴加速度 旦 二阶 F 传感器 滤波 - /- 旦 电路 - - 图 1 j轴电子罗盘的设计框图补偿校准处理，最终通过串口实时输出稳定的姿态角。

1.1 传感器及信号调理电路本研究设计的电子罗盘选用的是东方微磁科技有限公司生产的高灵敏度双轴 SAS022-1和单轴VA100F3巨磁阻 自旋阀传感器，来组合成三轴GMR传感器。

.厂 - - ， - 15 -10 U ， IU l，B/Oe图2 GMR传感器典型响应曲线使用GMR传感器时数据采集电路设计非常简单，不需要像AMR传感器-样带有置位/复位电路 ，并且具有很高的灵敏度、线性度和磁场分辨率，该传感器线性测量范围在-3 Gauss，灵敏度为4.1 mV/V/Oe ，而AMR传感器的灵敏度-般只在 1 mV/V/Oe左右，所以通过选用该GMR芯片可以保证罗盘的分辨率和精度。

三 轴 加 速 度 传 感 器 采 用 的 是 sT公 司 的LIS332AR。该传感器尺寸小 、功耗低 ，并可提供模拟电压输出，每个轴的电压在0.9 V～2.1 V之间变化，测量范围是±2 g，可直接接入单片机的A/D接口进行模数处理。

由于GMR传感器在地磁场影响下只产生毫伏级的差分电压，本研究选择ADI公司的0P2177运算放大器进行差分信号放大，单个GMR传感器的调理电路如图3所示。

300k12图3 单个 GMR传感器的信号调理电路GMR传感器实测电阻为2.46 kn，电路中反馈电阻为300 kQ，所以该电路放大倍数为 115倍。同时笔者给放大器增加 1.5 V的参考电压 ，使最终输出结果在02.5 V以内。最后 ，将GMR传感器放大后的信号第l期 林乾浩，等：基于GMR传感器的三轴电子罗盘 · 57 ·与加速度传感器产生的信号-起经过RC低通滤波电路滤波并送到微控制器的6路AID口。

1.2 微控制器及外围电路部分本研究选用 MSP430F2618TPM芯片作为微控制器，单片机及外围电路图如图4所示。

图4 单片机及外围电路图该单片机具有强大的处理能力、超低功耗、高性能模拟技术及丰富的片上外 围拈 ，集成了 l2位ADC、UART、SPI和JTAG等片内外设，拥有 116 KB的Flash程序存储器，可用于非易失性数据存储。单片机主要工作是将传感器采集到的模拟信号进行 A/D处理，并将处理后的数字信号进行软件数字滤波、姿态解算和误差补偿校准，最终通过串口把解算出来的姿态信息传输到电脑上。其中，硬件电路中时钟晶振采用 8 M无源晶振；J3是单片机的JTAG接 口，能够进行电路硬件仿真和程序下载；MSP430单片机的 管脚能够产生 1.5 V的稳定电压供运算放大器作为参考电压使用 ；本研究在串口输出信号部分增加了1TrL电平输出电路。

2 磁罗盘测量 的基本原理地球本身存在地磁场，磁场强度在0.5 Gauss左右，其方向总是指向磁北，GMR传感器正是利用地磁场的这-特性来确定载体运动过程中的任-姿态的磁场分量，载体在三维空间中，运动时载体坐标系时刻在发生变化，与地理坐标系不重合。由于电子罗盘与载体是同步运动的，相对于地理坐标系也是在不断变化的。本研究把罗盘相对于地理坐标系 XYZ 3个轴方向上绕顺时针转动的角度分别定义为横滚角 、俯仰角 0和航向角 ，坐标示意图如图5所示 ]。

在应用中GMR传感器测量到的磁场矢量值在载体坐标系中的坐标为 ， ，Hz)。本研究利用方向余系弦法，结合转动过程中的俯仰角0和横滚角 ，可将载体坐标系转换到地理坐标系中 ，其坐标 y，z)可表达为：in三0 童 驯由式(1)得出：Hx COS sin0siny sin0COS (2)yHy COS7-Hz siny (3)进而可求出航向角：arctan其中，俯仰角 0和横滚角 可以通过加速度计3个轴检测到的分量 ，g ，g：)解算出来。

俯仰角：0-arcsin(g /g) (4)横滚角：arctan(g /g ) (5)由于传感器制造过程中存在误差 ，3个GMR传感器存在零场偏置和灵敏度差异，此外，工作环境中存在-些磁场干扰，也会影响GMR传感器的测量值。由于存在的这些误差不可避免，本研究必须对电子罗盘进行校正补偿 ]。

校准方法为：将电子罗盘水平放置旋转-周，采集GMR传感器 轴和 y轴测量结果的最大值和最小值，记为( ～，ym ，ymi )，并将罗盘垂直旋转90。放置，再水平旋转-周，采集GMR传感器z轴测量结果的最大值和最小值，记为(z-，z i )。

巨磁阻的在零场偏置和磁场干扰影响下的偏移值 ， ，z )为：l，Of： (6) - u/Zof巨磁阻传感器的每个轴灵敏度值 ，K，Kz)为：· 58 · 机 电 工 程 第 30卷 l (Xma x-Xmin)(7)经过校正补偿 ，设经过校准的磁阻传感器3个轴的分量为( ， ， )，则：f 。Kx( - ) 。Ky - ) (8)I ， (/z-z )3 三轴电子罗盘的软件设计该系统设计的电子罗盘的工作模式分为正常模式和校准模式n ” 。当电子罗盘上电后，系统默认进入正常模式 ，如果在正常工作模式下，接收到串口发送的校准命令，则执行相应的校准程序。

系统在正常工作模式下的程序设计流程为：系统初始化；从Flash中读绒磁阻传感器的每个轴的中点电压值 扪 ，z。 )，每个轴的灵敏度 ( ，K ， )，加速度传感器每个轴水平参考值 (G G ，G枷)；接着采集传感的原始数据 ，并对得到的数据进行软件数字滤波处理；然后进行航向和姿态解算，并按照-定的数据格式将航向角、俯仰角、横滚角和传感器原始数据输出到电脑上。

图6 程序流程图当MCU收到用户发送的GMR传感器校准命令时，程序进入GMR传感器校准流程 ；电子罗盘采集GMR传感器每个轴的最大值和最小值，完成工作后 ，计算 GMR传感器相关的参数并保存到F1ash；当MCU收到用户发送的加速度传感器校准命令时，程序进人加速度传感器校准流程，电子罗盘采集当前平面稳定的加速度数据，设为水平参考值 ，并将相关参数保存到Flash；校准完毕后中断返回，罗盘正常工作。

4 实验结果分析电子罗盘经过国家弱磁-级计量站进行实验测量 ，实验调试装备如图7所示(该测试环境外界磁场干扰很小 )图7 实验调试设备本研究首先将罗盘置于夹具上并放置在标准无磁转台上进行校准，并在转台上以水平和30of顷斜两种状态分别每隔3O。输出-次数据 ，通过对 比标准转台上的刻度与串口输出结果，可以分析罗盘的具体误差。为了验证算法对磁干扰的补偿是否有效，本研究还加上-组带有铁磁性物质固定干扰源与电子罗盘- 起校准的对比实验。

校准后航向角误差如图8、图9所示，电子罗盘水平精度在±1。以内，30。倾斜后精度在±1.5。以内，分辨率为0.1。，罗盘可在0-360。范围内测量。并且在加上- 组带有铁磁性物质的固定干扰源进行校准后 ，罗盘精度也保持在原先的精度水平，证明了本研究设计的校准算法能够很好地对磁场干扰进行补偿。

/-. - . 。。1 、/ 。 ·30 60 9o t o 晶 o st- ，-图8 无干扰源电子罗盘误差曲线如 。、 -第1期 林乾浩，等：基于GMR传感器的三轴电子罗盘 · 59 ·21.5，塌 0n5- l- 1.5，、/1 、- i· 3。 。0 6O l o1 。 2；o3品3. !l ， -、，m 0。

图9 有干扰源校准后电子罗盘误差曲线5 结束语目前，市面上基于新型的GMR传感器进行研制的电子罗盘未见报道 ，本研究设计的电子罗盘硬件电路简单、体积孝功耗低，具有自动校准与磁场补偿算法功能。经实验验证 ，通过校准后该罗盘水平航向精度达到±1。，30。倾斜后精度达到士1.5。，罗盘分辨率为0.1。。

研究结果表明，本研究设计的电子罗盘能够有效地补偿磁场干扰 ，具有较高的测量精度，所研制的三轴电子罗盘在手机、车载、船舶等导航系统具有潜在应用价值。