Products Feature 摘要：针对低功耗的手持导航应用，提出了一种基于数字磁阻传感器和 MEMS 加速度计的小型低 功耗电子罗盘设计方案。介绍了电子罗盘工作原理、硬件设计及软件算法，并在分析磁性物质影响 的基础上提出了合理可行的矫正方法。实验表明，该电子罗盘能准确测量罗盘朝向，并且功耗低、 运行稳定，具有倾斜补偿及校正功能,可用于普通导航领域。 关键词：磁阻传感器；电子罗盘；倾斜补偿；MEMS 加速度计；MSP430； 中图分类号：TP212.13 文献标志码：A 文章编号：1006-883X(2011)06-0035-05 胡宁博 李 剑 赵榉云 一、引言 罗盘是自动控制、测试及测量领域中用来获取方向信息的装置。目前应用较广泛的是磁阻式电子罗 盘，电子罗盘具有较好的抗震性，对干扰有电子补偿，测向精度较高。但现有电子罗盘电路结构复杂， 体积较大，不便于携带和使用。针对这些问题，本文提出了以 HoneyWell 公司三轴磁阻传感器 HMC5883 和飞思卡尔公司三轴加速度传感器 MMA7260 为敏感元件，使用超低功耗控制器 MSP430F149 处理传感 器数据计算方向的小型低功耗电子罗盘。 二、电子罗盘测向原理 磁罗盘通过测量地磁场水平方向分量确定磁北极方向并推算出其他方向。当罗盘水平放置时,传感器 坐标系的 X、Y 轴在水平面内，X 轴为前进方向，Y 轴垂直于 X 轴向右，Z 轴沿重力方向向下,从磁北方 向顺时针到 X 轴的夹角即为方位角α。 实际应用中，电子罗盘并不是始终水平，需要根据加速度传 X HX HN 感器测得的俯仰角和滚转角，通过坐标变换，将磁传感器测得的 磁场强度分量折算到水平方向，再计算方位角。俯仰角ϕ为罗盘 纵轴与水平面之间的夹角，滚转角θ为罗盘 Z 轴与过 X 轴的铅垂 面之间的夹角。当罗盘不水平时，测得重力加速度 g 在罗盘三轴 方向的分量分别为 Ax,Ay,Az，则根据坐标关系可求得俯仰角和滚转 角为： ⎧ θ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ϕ = ⎪ ⎩ 此时，磁传感器测出的地磁场在罗盘三轴方向的分量为 Hx,Hy,Hz，由坐标关系得水平方向磁分量： (1) 图 1 罗盘处于水平状态的坐标系 = arcsin O α A x g A y g ⎡ ⎢ ⎣ ⎡ ⎢ ⎣ ⎤ ⎥ ⎦ ⎤ ⎥ ⎦ HZ Z arcsin HY Y HE 2011.06 SensorWorld www.sensorworld.com.cn 35 

cos sin H sin θ − z H sin θϕ + θ sin z θϕ cos (2) H H ⎧ ⎨ ⎩ X Y = = H H x x 利用三角函数关系可求得方位角为： − [arctan( − [arctan( [arctan( H H Y X α = ⎧ 360 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ 180 ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ 90 ⎪ ⎪ 270 ⎩ − 180 π 180 π H H Y X H H Y X )] × )] × )] × 180 π H X > ,0 H Y > 0 H X > ,0 H Y < 0 H X < 0 (3) X H H X H ,0 = H ,0 = Y Y < > 0 0 由于地磁南北极与地理南北极存在磁偏角，要得到准确 的南北极方向，必须用计算结果加上或减去所在地区磁偏角， 得出前进方向与地理北极的夹角即真北方位角 A。当所在地 区磁偏角 β 已知时，真北方位角为： βα+=A (4) 三、电子罗盘系统设计 1、硬件设计 电子罗盘硬件系统设计如图 2 所示，该电子罗盘主要由 传感器、控制器、电源、GPS 模块及显示输出 5 个部分组成。 (1)传感器模块 传感器模块由磁阻传感器和加速度传感器组成。 磁阻传感器电路如图 3 所示，图中 HMC5883 为数字接 口三轴磁阻传感器，内置 ASIC 放大器，12 位 A/D 转换器， I2C 总线输出。采用 4×4×1.3mm 的 LCC 封装，体积小、精度 高、成本低廉、使用方便。R5、R6 为 I2C 总线上拉电阻，DRDY 为数据准备好中断，接控制器中断输入口。电容 C12、C14 加 上传感器片上 ASIC 电路中的 H-电桥驱动电路可以产生电流 脉冲，使片上的置位/复位电流带产生磁场给传感器去磁和极 性翻转。 加速度传感器电路如图 4 所示，以低成本微型电容式加 速度传感器芯片 MMA7260QT 为核心，该传感器采用了信号 调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，灵敏度高、性能稳 定。该芯片功耗低，工作电流仅 500μA。6×6×1.45mm 的 QFN 封装，适用于电池供电的手持设备。图中芯片 SLEEP 引脚为 休眠控制端，低电平休眠，此时消耗电流仅为 3μA。GS1、 GS2 为灵敏度选择，共有 4 个量程可选择(1.5g/2g/4g/6g)。输 出端 1kΩ电阻和 0.01μF 电容构成 RC 滤波电路，输出的模拟 加速度信号经滤波后送入控制器片上 A/D 转换器采集量化。 36 传 感 器 世 界 2011.06 www.sensorworld.com.cn （2）控制器模块 控制器采用 MSP430F149，它是一款 16 位高性能、超 低功耗 MCU，工作电压 1.8~3.6V，在 1MHz 时钟下，工作 电流为 0.1~400μA。大多数指令可以单时钟周期执行，具有 统一的中断管理，片上外围模块丰富，片内有精密硬件乘法 器、14 路的 12 位 A/D 转换器、两路 USART 通信端口等资 源。在本设计中控制器串口 1 接收 GPS 信号以获取经纬度信 息，根据经纬度信息查表得到当地的磁偏角，最终计算得到 的方向及角度显示在液晶屏上，同时通过串口 2 输出，可供 其它测量系统使用。 (3)显示输出模块 显示输出部分包括串口输出和液晶显示。其中串口输出 传感器 三轴磁阻 I2C 总线 片上 ADC 输入端 三轴 加速度计 GPS 控制器 电源 显示输出 LCD 显示 串口输出 图 2 电子罗盘系统框图 图 3 磁阻传感器电路 图 4 加速度计电路 

提供精确的偏角信息，便于罗盘集成到其他测试设备中。显 示电路如图 5 所示，采用串行通信接口的 84×48 点阵 LCD 液 晶模块 LPH7366。该 LCD 晶片上绑定了驱动芯片，体积小、 工作电压低，工作电流低于 200μA，且具有掉电模式，非常 适合于电池供电的便携式通信设备和测试设备。 图 5 液晶模块电路 图 6 软件流程图 X o Y X o X Y o Y (a)无干扰 (b)硬磁干扰 (c)软磁干扰 图 7 硬磁干扰和软磁干扰的罗盘输出 Products Feature 系统电源部分采用 4.2V 锂电池供电，由低压差稳压器件 HT7333 转换成所需 3.3V 电源。 2、软件设计 控制软件用 C 语言编写，便于阅读和今后移植，且采用 模块化设计，方便调试。软件功能主要包括初始化、A/D 转 换、数据采集、方向角计算、补偿校正以及显示输出等，软 件处理流程如图 6 所示。 软件处理流程主要有正常工作模式和校准模式两个分 支。正常工作模式中的串口接收 GPS 数据放在串口中断中处 理。校准操作完成后，选择是否保存，之后重新初始化系统 参数后继续运行。在一次测量显示完成后，传感器进入低功 耗模式，控制器暂时休眠，延时数毫秒后唤醒系统再次测量。 四、罗盘误差及补偿 造成罗盘误差的主要因素有传感器误差、其他磁材料干 扰等。 为了校准传感器放大电路，HMC5883 内部集成了自测试 电路，可以驱动偏置电流带产生一定大小的测试磁场，以校 准传感器各轴灵敏度。自测试还可以校准温度变化而产生的 漂移。由于磁阻传感器材料的特性，当磁阻传感器处于较强 干扰磁场中时，传感器元件灵敏度下降甚至失效。为了消除 这种影响，需要复位/置位电路施加脉冲宽度为 2μs，3~4A 电流，使传感器特性恢复。在目前应用较为广泛的 HMC1022 及 HMC1022 模拟输出磁阻传感器中，置位复位电路需要额 外设计并且需要由控制器控制，而 HMC5883 芯片内部集成 了生成复位/置位脉冲所需的驱动电路，且由片上 ASIC 电路 自动控制，在每次测量前自动进行复位/置位操作，不仅保证 了传感器精度，也使传感器应用电路大为简化。 除了传感器本身的误差，磁阻传感器应用环境中的磁介 质引起的磁场变化也会使电子罗盘精度降低。磁场干扰分硬 磁干扰和软铁干扰两类。硬磁干扰是传感器附近的永磁体或 被磁化的金属造成的，它对磁阻传感器输出的影响是固定的， 使输出曲线图圆心偏移，如图 7（b）所示。而软磁干扰则是 地球磁场和传感器附近磁性材料的相互作用造成的，其干扰 具有方向性如图 7（c）所示。 为了校正 X、Y 轴方向的硬磁干扰,需要在校准模式中绕 Z 轴缓缓旋转罗盘一周，在旋转过程中，罗盘不断采集 X、Y 轴的磁场强度数据，最终找出数据的最大值 Xmax、Ymax 和最 小值 Xmin、Ymin。对于 Z 轴的校准，需要绕 X 轴或 Y 轴旋转 一周，找出 Z 轴数据的最值 Zmax、Zmin。校准偏移量为： 2011.06 SensorWorld www.sensorworld.com.cn 37 

X Xoffset=（Xmax+Xmin）/2 Yoffset=（Ymax+Ymin）/2 Zoffset=（Zmax+Zmin）/2 (7) 将偏移量保存到控制器的 Flash O 存储器中，在以后的每次测量中，将 每轴的磁场强度减去对应的偏移量， 即可校准硬磁干扰。 消除软磁干扰的补偿算法较为复 Xmax Xoffset Xmin 杂，在低成本的控制器上不易实现且 效果有限，因此在本设计中选用了优 图 8 X、Y 轴硬磁畸变的校准 Ymax Yoffset Y Ymin sensors and and software algorithm magnetoresistive digital MEMS accelerometer. In this paper the principle of electronic compass, hardware design are presented, the characteristics of magnetic materials are analyzed. Then a feasible is proposed. The correction method experiments show that this electronic compass can detect the direction accurately with low power consumption based on tilt compensation and correction. It can be 化磁阻传感器安装位置的方法，以降 低其他磁性材料对地磁场的干扰，保证罗盘精度。 五、结论 本文依据磁罗盘测向原理，设计了具有倾斜补偿功能的 used for portable navigation. Keywords：magnetoresistive sensor; electronic compass; tilt compensation; MEMS accelerometer; MSP430 小体积低功耗数字罗盘。该罗盘采用数字磁阻传感器、MEMS 作者简介 胡宁博：中北大学信息探测与处理技术研究所硕士，研究方 向：通信与信息系统。 通信地址：山西太原中北大学信息探测与处理技术研究所 邮编：030051 Email: HuNB@live.cn 李剑：中北大学信息探测与处理技术研究所硕士，研究方向： 信号与信息处理 赵榉云：中北大学信息探测与处理技术研究所硕士，研究方 向：信号与信息处理 读者服务卡编号 008□ 三轴加速度传感器及 MSP430 超低功耗处理器，具有电路结构 简单、集成度高、抗干扰能力强等优点。实验证明，经算法 补偿后，该电子罗盘精度可以达到±1°，正常工作时耗电仅 7.9mA，同时硬件成本低，功耗小，适合用于便携导航，小型 飞行器控制，也可以用于其他需要测量倾角和方位角的场合。 参考文献 [1]郭检柟.基于磁阻芯片和 MSP430 单片机的电子罗盘设计[J].信息 与电子工程,2010,8(1):12-14 [2] 熊 剑 , 刘 建 业 , 孙 永 荣 等 . 数 字 磁 罗 盘 的 研 制 [J]. 传 感 器 技 术,2004,23(8):46-48 [3]Kimberly Tuck .Tilt Sensing Using Linear Accelerometers [EB/OL]. http//:cache.freescale.com/files/sensors/doc /app_note /AN3461.pdf [4]蒋海涛,郭站营.基于 MEMS 加速度传感器的飞行器倾角测量系统 设计[J],计算机测量与控制,2010,18(1):107-109 [5]蒋贤 志. 数 字 电子 罗 盘误 差 分析 及 校正 技 术研 究 [J]. 现 代 雷 达,2005,27 (6):39-41 [6] 王 勇 军 , 李 智 , 李 翔 . 电 子 罗 盘 的 干 扰 抑 制 [J], 微 型 机 与 应 用,2010,12(3):107-109 [7]杨新勇,黄圣国.磁航向测量系统误差修正方法研究 [J].仪器仪表 学报 2004,(04) :467-469 Digital electronic compass based on HMC5883 HU Ning-bo, LI Jian, ZHAO Ju-yun （North University of China Information and Communication Engineering , Taiyuan 030051, China） Abstract：A low power consumption and portable electronic compass is based on this paper, which is designed in 38 传 感 器 世 界 2011.06 www.sensorworld.com.cn