HMC5883L电子罗盘的误差补偿系统设计

  罗盘是主动担任、测试及丈量周围顶用来获取对象讯息的安装。目前行使较寻常的是磁阻式电子罗盘,这种电子罗盘具有较好的抗振性,对滋扰有电子积蓄,所以测向精度较高。但现有电子罗盘电途构造纷乱、体积较大,未便于带领和行使,难以集成到现有嵌入式摆设中。针对这些题目,本文提出了以霍尼韦尔(HoneyWell)公司三轴磁阻传感器HMC5883L为敏锐元件,行使低功耗担任器AVR单片机为传感器数据经管单位的小型低功耗电子罗盘。该罗盘助助串口输出,能够便当集成到百般行使中。

  地球的磁感想强度为50~60μT,相当于沿着地球中央的一个磁棒,磁棒的南北极相对待地舆的南北极有大约11.5°的夹角。无论何地,地球磁场的秤谌分量长远指向磁北极,这一道理是一切罗盘的创制本原。一切罗盘都是丈量地球磁场的北对象,其他对象即可算计出来。地球磁场的北对象和本质的北对象有差异,而这种差异的巨细正在地球上的区别处所也是区别的,以是务必明确罗盘所正在的大致位子,本领企图出怎么积蓄地磁和可靠北对象的差异,以显示出可靠的北对象。

  磁北的对象便是地磁场正在秤谌面上分量的对象。假设电子罗盘处于秤谌面上,要确定其相对待磁北的航向角α。由磁阻传感器能够直接得出地磁场的秤谌分量Hx、Hy,所以相对待磁北的航向角为:

  正切函数的周期为180°,为保障数据有用性,船体航向角α转换到相对磁北0°~360°的范畴内。可将上式阐明,取得相对待磁北极的360°范畴内(顺时针对象)的航向角,加被骗地的磁偏角就能够算出与真北的航向角。

  因为地磁南北极与地舆南北极存正在磁偏角,要取得正确的南北极对象,务必用企图结果加上或减去所正在区域磁偏角,得出进展对象与地舆北极的夹角,即真北方位角A。当所正在区域磁偏角φ已知时,真北方位角为:A=α+φ。

  电子罗盘的硬件编制如图21.1所示,苛重由传感器、担任器、电源及串口输出4一面构成。担任器通过串口与PC通讯,用于达成对电子罗盘的筑树、校正以及丈量数据输出。

  担任器采用ATmega16,这是一款基于巩固的AVR RISC构造的高本能、低功耗8位MCU,事业电压为2.7~5.5V,正在1MHz时钟下,事业电流为1.1mA。公众半指令能够单时钟周期践诺,具有同一的断绝打点,片上外围模块足够,片内有16KB的Flash、1KB的RAM、512字节的EEPROM、8途的10位A/D转换器以及一块USART通讯端口等资源。正在本策画中,担任器串口与PC接连,能够对电子罗盘实行装备及校正,也能够将最终企图取得的对象及角度通过串口输出,供其他丈量编制行使。担任器模块正在ATmega16的本原上,做了最小编制的扩展,如图21.2所示。依据模块化策画思念,本文将最小编制创制成独自模块,其最终实物如图21.3所示。

  HMC5883L是一种基于外面贴装的高集成、自带数字接口的弱磁传感器,行使于低本钱罗盘和磁场检测周围。HMC5883L囊括最进步的高离别率HMC118X系列磁阻传感器,并附带霍尼韦尔专利的集成电途,囊括放大器、主动消磁驱动器、偏向校准、能使罗盘精度担任正在1°~2°的12位模数转换器以及浅易的I2C总线接口。

  HMC5883L采用霍尼韦尔各向异性磁阻(AMR)技能,具有轴向高精巧度和线性高精度的特色,能用于丈量地球磁场的对象和巨细。

  HMC5883L模块的外围电途绝顶单纯,本文采用的是制品模块,如图21.4所示。该模块外接引脚囊括VCC、GND、SCL、SDA、DRDY、3V3。个中VCC为5V输入,模块自带降压性能,能够输出3.3V电压供其他模块行使。SCL与SDA为准则I2C接口,DRDY用于指示HMC5883L数据是否计算好,用于断绝式样读取丈量数据。

  与PC通讯的串口模块采用的是USB转串口式样,同样采用制品模块,如图21.5所示。该模块行使PL2303HX芯片达成USB转串口性能,具有电途单纯、传输速率速等特色。模块引出的性能引脚囊括TXD、RXD、GND、3V3、5V。个中5V为USB总线输出电压,本文将该电压行动下位机的供电电压。TXD与RXD为串口接口,与单片机直接接连,无需做电平转换。模块内部同时集成了降压模块,能够输出3.3V电压,但因为依然行使了HMC5883L模块的降压性能,本编制中该输出引脚悬空。

  各模块之间须要通过底板实行接连,其道理图如图21.6所示。个中与HMC5883L模块的I2C接口行使的是ATmega16的硬件接口,所以须要接连PC0与PC1端口,DRDY则与PD7端口接连。串口模块与单片机的硬件串口端口PD0、PD1接连,总体接连相对单纯。将各个模块通过插座、插针以及接连线接连,摆设最终的形貌如图21.7所示。

  电子罗盘的软件分为两一面:单片机上的软件以及PC端的担任软件。通常事业时,只需运转单片机上的法式,PC端软件仅显示眼前数据。当须要装备或者校正时,要配合PC端软件行使。

  单片机的软件流程如图21.8所示。参数保管正在单片机的EEPROM中,掉电后依旧能够保管。

  PC机与单片机实行串口接连,通常事业时,单片机事业正在平常形式,PC端软件通过串口查问当火线位角并显示正在界面上。当须要装备电子罗盘时,能够通过PC端软件筑树磁偏角,参数都市保管正在单片机的EEPROM中,罗盘重启后还按之前的筑树参数运转。当须要对罗盘实行校正时,通过PC端软件启动校正流程。用户须要正在秤谌面上从容盘旋罗盘360°,然后通过PC端软件见告罗盘结局校正,此时罗盘会主动企图出X、Y轴的偏移值并保管,同时PC端软件上会显示这些偏移值。

  PC 端软件采用 Visual C++ 2005 编写,基于 MFC 框架拓荒,软件流程如图21.9所示。软件框架采用的是查问式样,由PC担任软件行动主动方,发送串口敕令到单片机,单片机则行动被动方,将结果返回给PC担任软件。

  通过界面上的按钮,用户能够筑树电子罗盘、实行校正,并看到当火线位角的显示,界面如图21.10所示。行使时,先将单片机与PC串口接连,然后掀开对应的串标语,此时即能够看到当火线位角显示正在偏角栏里。假使须要筑树磁偏角,只需将数值写入对话框,并单击“筑树”按钮即可。校正性能相比拟较纷乱,正在单击“动手校正”后,须要手动盘旋电子罗盘360°,然后再单击“结局校正”,最大、最小偏移值即会显示正在界面上。

  形成罗盘差错的苛重身分有传感器差错、其他磁资料滋扰等。为了校准传感器放大电途,HMC5883 内部集成了自测试电途,能够驱动偏置电流带发生必定巨细的测试磁场,以校准传感器各轴精巧度。自测试还能够校准温度变动发生的漂移。当磁阻传感器处于较强滋扰磁场中时,传感器精巧度会消浸以至失效。为了湮灭这种影响,须要复位/置位电途施加脉冲宽度为2μs、电流强度为3~4A的电流,使传感器性格复兴。正在目前行使较为寻常的HMC1022及HMC1022 模仿输出磁阻传感器中,复位/置位电途须要异常策画并由担任器担任,而HMC5883 芯片内部集成了天生复位/置位脉冲所需的驱动电途,且由片上ASIC 电途主动担任,正在每次丈量前主动实行复位/置位操作,不只保障了传感器精度,也使传感器行使电途大为简化。

  除了传感器自己的差错,磁阻传感器行使境遇中的磁介质惹起的磁场变动也会使电子罗盘精度低浸。磁场滋扰分硬磁滋扰和软滋扰两类。硬磁滋扰是传感器邻近的永磁体或被磁化的金属形成的,它对磁阻传感器输出的影响是固定的,使输出弧线(b)所示。而软磁滋扰则是地球磁场和传感器邻近磁性资料的彼此效率形成的,其滋扰具有对象性,如图21.11(c)所示。

  为了校正X、Y轴对象的硬磁滋扰,须要正在校准形式中绕Z轴渐渐盘旋罗盘一周,正在盘旋历程中,罗盘持续收集X、Y轴的磁场强度数据,最终寻得数据的最大值Xmax、Ymax和最小值Xmin、Ymin。对待Z轴的校准,须要绕X轴或Y轴盘旋一周,寻得Z轴数据的最大值Zmax、最小值Zmin。校准偏移量为:

  将偏移量保管到担任器的EEPROM存储器中,正在今后的每次丈量中,将每轴的磁场强度减去对应的偏移量,即可校准硬磁滋扰。湮灭软磁滋扰的积蓄算法较为纷乱,正在低本钱的担任器上不易达成且功效有限,所以正在本策画入选用了优化磁阻传感器装配位子的法子,以低浸其他磁性资料对地磁场的滋扰,保障罗盘精度。

  本文按照磁罗盘测向道理,策画了具有倾斜积蓄性能的小体积、低功耗数字罗盘。该罗盘采用数字磁阻传感器HMC5883L及超低功耗经管器ATmega16L,具有电途构造单纯、集成度高、抗滋扰材干强等便宜。测验证据,经算法积蓄后,该电子罗盘精度能够抵达±1°。因为硬件本钱低、功耗小,它也合用于便携导航、小型翱翔器担任,以及用于其他须要丈量倾角和方位角的形势。

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  之后读取SDAW_SCL=0;//拉低SCL,从器件动手安顿数据}//发送应答信号if(Ack)W_SDA=0;//拉低SDA吐露应答W_SCL=1;//拉高SCL,从器件授与应答信号_delay();W_SCL=0;//从新拉低SCLW_SDA=1;//开释SDAreturntemp;}二、装备HMC5883L模块voidHMC5883L_Init(){_iic_Start();_iic_SendByte(0x3c);//写操作_iic_SendByte(0x00);//指针指向00,装备寄存器A_iic_SendByte(0x78);//数据丈量、输出速度

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