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(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、導(dǎo)航誤差隨時(shí)間累計(jì)等原因而不適合車載使用；傳統(tǒng)的羅盤雖然價(jià)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(hào)不能集成到汽車的控制系統(tǒng)中，給實(shí)現(xiàn)基于精確導(dǎo)航的智能交通帶來了不便。
　　本文針對(duì)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(dòng)機(jī)等對(duì)磁場(chǎng)的干擾，利用磁阻傳感器設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)雙軸線性磁阻傳感器，每個(gè)傳感器都有一個(gè)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(shí)，傳感器將磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓輸出。HMC1052包含兩個(gè)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(gè)位于芯片上的磁耦合帶：偏置帶和置位/復(fù)位帶。兩個(gè)敏感元件都有這兩個(gè)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(chǎng)。
　　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(gè)二軸的加速度傳感器，它能夠提供一個(gè)用數(shù)字表示的重力加速度值。當(dāng)傳感器被水平放置時(shí)，兩個(gè)輸出口提供一個(gè)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(jì)
　　地球磁場(chǎng)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(cè)量地磁場(chǎng)范圍內(nèi)的磁場(chǎng)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(dòng)態(tài)環(huán)境中，將不可能保證其永遠(yuǎn)水平，所以在這種場(chǎng)合下，羅盤的可使用性大大降低。于是需要設(shè)計(jì)三維羅盤以適應(yīng)各種姿態(tài)的測(cè)量。三維電子羅盤的總體設(shè)計(jì)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(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度方向輸出電壓，經(jīng)過放大電路分別輸入到三個(gè)具有A/D轉(zhuǎn)換能力的MCU端口，二軸加速度傳感器測(cè)量俯仰角度和橫滾角度，測(cè)量參數(shù)的意義如圖4所示。

　　將測(cè)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(chǎng)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(jì)算出方位角Φ的值。
3 三維電子羅盤系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
　　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(hào)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(jì)
　　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(chǎng)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(chǎng)擺幅為:
　　V_{磁場(chǎng)}=(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(chǎng)}=(±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(jì)基本電路，將需要的電壓信號(hào)放大以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。圖5給出了一個(gè)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(hào)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(jì)
　　當(dāng)受到強(qiáng)磁場(chǎng)干擾時(shí)，傳感器磁化極性會(huì)受到破壞，傳感器特性也會(huì)改變。針對(duì)這一破壞性的磁場(chǎng)，需對(duì)傳感器敏感元件施加一個(gè)瞬態(tài)的強(qiáng)恢復(fù)磁場(chǎng)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(duì)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(duì)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(hào)改變。進(jìn)行置位或復(fù)位，需對(duì)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(gè)置位/復(fù)位帶標(biāo)準(zhǔn)阻值為2.0Ω，所以對(duì)于三軸系統(tǒng)，三個(gè)金屬片串聯(lián)阻值為6.0Ω,則產(chǎn)生一個(gè)3～4A的最小脈沖驅(qū)動(dòng)一個(gè)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(jì)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(gè)引腳，當(dāng)SET為高傳感器時(shí)置位；RESET為高電傳感器時(shí)復(fù)位。