羅盤是一種重要的導(dǎo)航工具,，已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)和航海導(dǎo)航等領(lǐng)域。一般在飛機(jī)和航海導(dǎo)航系統(tǒng)中使用的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由于價格昂貴,、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、導(dǎo)航誤差隨時間累計等原因而不適合車載使用；傳統(tǒng)的羅盤雖然價格便宜,，但不能工作于像行駛的汽車這種不穩(wěn)定的環(huán)境中,。另外，傳統(tǒng)羅盤不能夠電子輸出,，其信號不能集成到汽車的控制系統(tǒng)中,，給實現(xiàn)基于精確導(dǎo)航的智能交通帶來了不便。
　　本文針對以上問題，充分考慮到汽車內(nèi)部環(huán)境的不平穩(wěn)性以及汽車發(fā)動機(jī)等對磁場的干擾,，利用磁阻傳感器設(shè)計了一種車載磁阻式電子羅盤" title="電子羅盤">電子羅盤系統(tǒng),。
1 HMC1055系列各向異性磁阻傳感器
　　HMC1055系列集成了HMC1051Z單軸磁阻傳感器、HMC1052雙軸磁阻傳感器和一個二軸MEMSIC MXS3334UL加速度傳感器" title="加速度傳感器">加速度傳感器,。
　　HMC1052是一個雙軸線性磁阻傳感器,，每個傳感器都有一個由鐵鎳薄膜合金組成的惠思頓橋。當(dāng)橋路加上供電電壓時,，傳感器將磁場強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓輸出,。HMC1052包含兩個敏感元件，它們的敏感軸相互垂直,，且參數(shù)相互匹配,。內(nèi)部電路如圖1所示。

　　除了惠思頓電橋,，HMC1052還有兩個位于芯片上的磁耦合帶：偏置帶和置位/復(fù)位帶,。兩個敏感元件都有這兩個帶。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,。
　　HMC1051Z為HMC1052的單軸版本，其參數(shù)與HMC1052相同,。HMC10512內(nèi)部電路如圖2所示,。

　　MEMSIC MXS3334UL是一個二軸的加速度傳感器，它能夠提供一個用數(shù)字表示的重力加速度值,。當(dāng)傳感器被水平放置時,，兩個輸出口提供一個100Hz、50%占空比的方波,。隨著傳感器的傾斜,，它的輸出占空比發(fā)生變化^[1]。

2 三維電子羅盤總體設(shè)計
　　地球磁場的強(qiáng)度為0.6高斯左右,，現(xiàn)有的磁阻傳感器可以很好地測量地磁場范圍內(nèi)的磁場強(qiáng)度,。由于二維羅盤只能在保持水平的情況下正常工作，如果用于車輛的動態(tài)環(huán)境中,，將不可能保證其永遠(yuǎn)水平,，所以在這種場合下，羅盤的可使用性大大降低,。于是需要設(shè)計三維羅盤以適應(yīng)各種姿態(tài)的測量,。三維電子羅盤的總體設(shè)計方案如圖3所示。
　　三軸" title="三軸">三軸磁阻傳感器分別從X,、Y,、Z 三個磁場強(qiáng)度方向輸出電壓，經(jīng)過放大電路分別輸入到三個具有A/D轉(zhuǎn)換能力的MCU端口，二軸加速度傳感器測量俯仰角度和橫滾角度,，測量參數(shù)的意義如圖4所示,。

　　將測量出的X、Y,、Z,、θ、Φ代入式(1),、(2):
　　X_H=Xcos(Φ)+Ysin(θ)sin(Φ)-Zcos(θ)sin(Φ)(1)
　　Y_H=Ycos(θ)+Zsin(θ)(2)
　　從而得到磁場強(qiáng)度在水平面內(nèi)的分量(X_H,、Y_H)，由式(3)：
　　方位角Φ=arctan(Y_H/X_H)(3)
　　就可以計算出方位角Φ的值,。
3 三維電子羅盤系統(tǒng)的硬件設(shè)計
　　磁阻式羅盤由五部分組成：三軸磁阻傳感器,、二軸加速度傳感器、信號放大電路,、置位/復(fù)位電路,、MCU系統(tǒng)等。
3.1 放大電路的設(shè)計
　　各向異性磁阻(AMR)傳感器由惠斯頓電橋進(jìn)行工作,，并且傳感器輸出電壓很小,，需要放大才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。下面以HMC1052為例進(jìn)行分析,。HMC1052的靈敏度為±1.0mV/V/高斯,電橋偏置電壓值為±1mV/V。在橋路電壓3V和625毫高斯最大的磁場強(qiáng)度下,，橋路偏置電壓為:
　　V_{o f f} =(3.0V)×(±1.0mV/V)=±3.0mV
　　最大的磁場擺幅為:
　　V_磁場=(3.0V)×(±1.0mV/V/Guass)×(0.625Guass)=±1.875mV
　　因此電橋輸出的總擺幅為：
　　V_out =V_{o f f} +V_磁場=(±3.0mV)+(±1.875mV)=±4.875mV
　　經(jīng)過上面的分析,，使用雙運(yùn)算放大器來設(shè)計基本電路，將需要的電壓信號放大以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,。圖5給出了一個HMC1052放大電路的典型方案,。由于V_out=±4.875mV，ADC采樣在0～3V或者1.5±1.5V范圍內(nèi),，這樣就允許運(yùn)算放大器調(diào)整其增益,，以將±4.875mV的信號放大至±2.5V的ADC范圍內(nèi)。因此,，運(yùn)算放大器的增益為：
　　增益=(±1.5V )/(±4.875mV)=307
　　這里將增益化整取值為300,。
3.2 置位/復(fù)位電路的設(shè)計
　　當(dāng)受到強(qiáng)磁場干擾時，傳感器磁化極性會受到破壞,，傳感器特性也會改變,。針對這一破壞性的磁場，需對傳感器敏感元件施加一個瞬態(tài)的強(qiáng)恢復(fù)磁場來恢復(fù)或保持傳感器特性,。在HMC1055系列芯片上有一小電流帶,，對電流帶施加置位或者復(fù)位脈沖就能夠?qū)鞲衅髦梦换蛘邚?fù)位。
　　置位脈沖和復(fù)位脈沖對傳感器所起的作用基本是一樣，惟一的區(qū)別是傳感器輸出的正負(fù)號改變,。進(jìn)行置位或復(fù)位,，需對復(fù)位置位帶施加3～4A、20～50ns的脈沖電流,，置位或復(fù)位脈沖寬度為2μs,。
　　在HMC1055芯片上，置位/復(fù)位片的引腳名稱是S/R+和S/R-,，沒有極性的區(qū)別,，單個置位/復(fù)位帶標(biāo)準(zhǔn)阻值為2.0Ω，所以對于三軸系統(tǒng),，三個金屬片串聯(lián)阻值為6.0Ω,則產(chǎn)生一個3～4A的最小脈沖驅(qū)動一個6Ω的負(fù)載所需的供電電壓為18V～24V,。由于系統(tǒng)芯片都是使用5V電源，所以需要將5V電壓升壓到20V左右,，可以使用MAX662來完成,。典型的電路如圖6所示。

　　得到需要的電壓后,，設(shè)計圖騰柱式置位復(fù)位電路,，如圖7所示。圖中SET和RESET可以各連接MCU的一個引腳,，當(dāng)SET為高傳感器時置位,；RESET為高電傳感器時復(fù)位。