用磁场传感器KMZ52设计的电子指南针
文章作者：胡修林 杨 奇
文章类型：设计应用 文章加入时间：2004年11月26日15:28
文章出处：国外电子元器件
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摘要：介绍了目前用于定位系统中的电子指南针的工作原理,详细论述了磁场传感器芯片KMZ52的工作原理,给出了用KMZ52磁场传感器设计电子指南针的总体设计方案和电路,同时给出了设计中的一些特殊处理方法.
关键词：电子指南针；磁场传感器；KMZ52
1 概述
指南针是一种重要的导航工具,可应用在多种场合中.电子指南针内部结构固定,没有移动部分,可以简单地和其它电子系统接口,因此可代替旧的磁指南针.并以精度高、稳定性好等特点得到了广泛运用.
Philips公司生产的半导体器件KMZ52是一种专门用于电子指南针的二维磁场传感器.它采用磁场传感器的磁阻（MR）技术,并用翻转技术消除信号偏移,而用电磁反馈技术来消除温度的敏感漂移.由于外界存在干扰,该系统集成了几种特殊的抗干扰技术来提高系统精度.
本文介绍了电子指南针的工作原理及电路设计,同时给出了其抗干扰设计以及信号和数据的处理方法.
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2 工作原理与总体方案
图1是KMZ52的内部结构框图和引脚排列.图中,Z1和Z4为翻转线圈,Z2和Z3为补偿线圈.由于环境温度可能会影响系统精度,因此,在高精度系统中,可以通过补偿线圈对其进行补偿.KMZ52内部有两个正交的磁场传感器 分别对应二维平面的X轴和Y轴.磁场传感器的原理是利用磁阻（MR）组成磁式结构,这样可改变电磁物质在外部磁场中的电阻系数.以便在磁场传感器的翻转线圈Z1和Z2上加载翻转电信号后使之能够产生变化的磁场.由于该变化磁场会造成磁阻变化（ΔR）0并将其转化成变化的差动电压输出,这样,就能根据磁场大小正比于输出差动电压的原理,分别读取对应的两轴信号,然后再进行处理计算即可得到偏转角度.
整个电子指南针系统主要由传感器单元、信号调整单元（SCU）、方向确定单元（DDU）和显示单元四部分组成.电子指南针的总体设计框图如图2所示.图中,磁场传感器KMZ52用于将地磁场信号转化成电信号输出,信号调整单元用于将磁场传感器单元中的输出信号成比例放大,并将其转换成合适的信号hex和hey,同时消除信号的偏移.对于保证系统的精度来说,SCU是最重要的部件.通过DDU可将信号调整单元输出的两路信号hex和 hey进行放大,然后再按下式计算出偏转角度α：
α＝arctanhey／hex
这样根据抗干扰技术算法对α进行处理就可得出该磁场的偏转角度,最后通过显示单元进行输出.
3 硬件设计
该电子指南针系统的电路设计如图3所示.由于KMZ52内部桥式结构的磁阻输出是差动电压,通过运算放大器可以成比例放大,因此,在测量地磁场信号时,为了将两个磁场传感器信号放大同样的倍数,可以将二者的翻转线圈串联,并对差动电压选用同样的运放结构.翻转信号从①口输入,X、Y轴差动电压信号则分别从②、③口输出.然后通过处理系统对传来的信号进行A／D采样、数值处理和校正后,即可得到所求的角度.
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4 数值处理
由于KMZ52的输出信号很微弱,故信号干扰较大.在输出幅值很小的位置上,通常有300mV左右且变化很大的干扰；而在输出幅值时则近似保持恒值.两路信号幅值与角度的关系如图4所示.
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为使二者的比值接近tanα0＜α＜90°的变化,可以在幅值较大且数值变化较小的角度范围内,使幅值保持基本不变；而在幅值较小且数值变化较大的角度范围内,用一个函数改变其幅值变化曲线.具体实现时,可按照一定角度对曲线进行分段,并对各段用一次函数y＝ax＋b去拟合.这样,就可以使幅值变化曲线接近tanα.角度划分越细,精度越高.磁场传感器KMZ52的精度为3°,若按15°划分,可将精度提高到1°.若按5°对其划分,精度可高达0．3°.如划分更细,精度还可进一步提高.若采用高阶函数去拟合,也可以提高精度.实际上,在精度要求不高的情况下,通常以15°划分就可以达到要求.
5 干扰校正
有时候,某些外来磁场叠加会产生一个恒定磁场,这个磁场对系统指示将造成影响.故可采用如下方法对其进行校正：
让整个系统在水平面上旋转一周,干涉磁场与地球磁场叠加会有一个最大值Vmax和一个最小值Vmin,记录下这两个值和达到最大值（或最小值）的角度φ,再经过校正,即可消除磁场的影响.现以图5所示的干扰校正方案为例来加以说明.
设地球磁场的大小为Vear,干扰磁场的大小为Vdis则有：Vear＝（Vmax＋Vmin）／2
Vdis＝（Vmax－Vmin）／2
这样,由正弦定理Vear／sinφ＝Vdis／sinγ可求出γ.然后在α上加上γ角即可消除干扰磁场的影响.
6 结束语
本电子指南针采用特殊的数据处理方法提高了系统的精度.由于系统采用了抗干扰技术,因而减小了其它因素所造成的影响,使系统精度进一步得到提高.此外,该系统本身可测量2维磁场,故可以很方便地与另一个1维磁场传感器（KMZ51）组成3维测量系统,以消除倾斜现象.由于本系统可以采用各种处理平台来实现,因此具有良好的可移植性,可广泛用于定位系统,而且可靠性好,精度很高.