1、基于磁阻传感器的数字式磁强计的设计孙笠森 岳凤英 李永红 王恩怀 （中北大学 信息与通信工程学院 太原 030051）摘 要：为了实时准确地获取地磁参数，利用Honeywell的HMCl001单轴磁阻传感器和HMCl002双轴磁阻传感器设计了一种基于AD7734和C8051F410的小型化的数字式磁强计，采用恒流源电路和置位电路有效地解决了传感器失调和漂移的影响。本文阐述了系统硬件设计、软件流程。对数字式磁强计进行了测试，试验结果验证了该设计方案的可行性。关键词：数字式磁强计；磁阻传感器；恒流源电路；置位电路【中图分类号】TN949.6 【文献标识码】BThe Design of Digita
2、l Magnetometer Based On Magnetic Resistance SensorSUN Li-sen, YUE Feng-ying, LI Yong-hong，WANG En-huai（ College of Information and Communication Engineering, North University of China, Shanxi 030051, China）Abstract: In order to obtain real-time accurate magnetic parameters, designed a miniaturizatio
3、n digital magnetometer based on AD7734 and C8051F410 using Honeywell HMC1001 uniaxial magnetic resistance sensor and HMC1002 biaxial magnetic resistance sensor, using constant current source circuit and setting circuit can effectively solve the disorder of sensors and the impact of drift. This paper
4、 expounds the system hardware design and software flow. Digital magnetometer was tested, the test results verify the feasibility of the design.Key words: Digital magnetometer; magnetoresistive sensor; Constant current source circuit; Setting circuit0 引言随着电子学和地球物理学以及计算机技术等科学的快速发展，地磁探测技术得到了越来越广泛的应用。目前
5、，国内外的地磁测量系统趋向于小型化和数字化，被广泛的应用于对弹体飞行姿态的测量中。但存在精度不高、分辨率低、成本大等问题。故提出了一种新的设计方法，本系统选用AD7734模数转换器、C8051F410单片机和Honeywell公司的HMC1001型与HMC1002型磁阻传感器进行设计，采用恒流源供电，以实现综合测量精度优于0.15%的性能要求。1 系统测量原理地磁场是一个平均磁感应强度约为50000nT60000nT的弱磁场，地磁强度随地域的变换而不同。对于磁阻传感器，不外加磁场时，磁阻的电流密度矢量一般呈直线状，当磁场垂直加在磁阻表面时，由于霍尔效应，电流密度矢量与电场方向偏离了一定角度(霍
6、尔角)，电流经过的路程改变，电阻值变化。Honeywell磁阻传感器内部是由四个磁阻组成的惠斯通电桥。在电桥上施加一个偏置磁场，使得两个同向放置的电阻的磁化方向朝着电流方向转动，引起电阻阻值增加。同理，另外两个反向放置的电阻阻值减小。当有供电电流在电阻中流过时，电桥的输出电压会随磁场的变化而变化，由此可实时地获取磁场强度。2 系统硬件电路设计该系统由Honeywell公司生产的H1001型和H1002型磁阻传感器、置位电路、信号调理电路、AD转换电路、电源电路、微控制器和串行通信电路组成。系统框图如图1所示。A / D转换电路信号调理电路磁阻传感器H 1 0 0 2X 轴Y 轴H 1 0 0
7、1Z 轴微控制器电源电路串行通信电路图1 系统框图2.1 信号调理电路设计系统采用Honeywell公司的HMCl001单轴磁阻传感器和HMCl002双轴磁阻传感器采集地磁数据。磁阻传感器HMC1001与HMC1002经过放大电路输出3路模拟信号，但磁阻传感器的输出为 ，输出的模拟量为毫伏级，信号2.5/601230mVguasohmsAguasmV较小，采用OPA184仪表放大器对模拟信号进行放大。在实际地应用中，HMC1001和HMC1002磁阻传感器会受到强磁场的干扰影响，导致输出信号地衰变，传感器元件的磁阻内部会分成若干方向随机的磁区域，从而导致灵敏度衰减。实际的安装过程会产生正交误差
8、，无法保证传感器的敏感方向相互绝对垂直，即无法保证三轴绝对正交，因此，不同敏感方向的传感器会相互耦合而产生较大误差。置位电路快速有效地解决了这一问题。置位脉冲电流的峰值电流高于最低要求电流，该脉冲电流通过置位电流带产生一个强磁场，该磁场可以重新使磁区域对准到一个方向上，从而将磁阻传感器迅速地恢复到高灵敏度状态。置位电路电压采用+20V供电。选用MAX662芯片和ZTX605型三极管设计置位电路，信号调理电路如图2所示。图2 信号调理电路2.2 微控制器与AD转换电路设计选用C8051F410单片机对整个系统进行控制，C8051F410具有与8051兼容的高速CIP-51内核,其峰值执行速度是标
9、准8051的12倍,与MCS-51指令完全兼容。单片机中集成了丰富的模拟和数字资源, 所有资源都可以通过24个I/O引脚使用，外设或功能包括2304字节数字存储器、32KBFLASH、电源监视器、看门狗定时器、时钟振荡器和通用串口等。选用AD7734进行模数转换。AD7734具有最高24位无失码性能，实现最高12.3KHz的转换速率。该芯片模拟前端具有4个单端输入通道, 采用5V单模拟电源供电时, 可接受最高10V的单极性或真双极性输入范围。单片机与AD7734通过标准SPI接口进行通信，设计采用4线制的主、从方式，单片机为主、AD7734为从，单片机经过SPICLK管脚向AD7734提供SP
10、I的时钟信号，SPIMOSI为单片机输出端，SPIMISO为单片机接收端。AD7734的RDY管脚与单片机的P0.3管脚相连，当AD7734完成模数转换以后，的RDY管脚会变为低电平，通知单片机可以通过DOUT管脚读取数据。图3是AD7734与C8051F410的SPI串行通信接口原理图。图3 AD7734与C8051F410接口示意图2.3 电源电路设计直流电源也是整个设计的重要组成部分，其精度直接影响系统的性能。为满足系统的电源设计要求，减小电源自身的工作噪声对器件的干扰，减小磁阻传感器自身的温度漂移，采用10mA恒流源为传感器供电。选用OP184芯片和ADA4004芯片设计恒流源电路，如
11、图4所示。图5为磁阻传感器内部结构图，由惠斯通电桥构成，桥臂的阻值均为R，供电的恒流源电流值为I，当有外磁场作用时，同向放置的2个电阻阻值增加 ，其反向放置的电阻器R值减小 ，由于温度引起的电阻阻值变化为 ，计算得，由于磁场变化引起的输出变化Rr为 。由此可知，采用恒流源供电可有()()2outIUrRIR效地解决因温度变化而造成的灵敏度降低的问题。图4 恒流源电路 图5 磁阻传感器内部结构图3 软件设计数字式磁强计上电后首先进行初始化，包括对微控制器的初始化和对AD7734的初始化，本系统采用单片机内部振荡器，系统时钟频率为24.5MHz，选择AD7734的通道 CH0、CH1、CH2进行模
12、数转换，使能电压输入范围为0-5V，寄存器数据位为24位，工作模式为连续工作模式。然后向磁阻传感器发送持续2s大小为4-6A的置位脉冲，单片机的计时器开始计时，同时进行对磁场强度进行数据采集，5秒钟后再次向磁阻传感器发送置位脉冲，计时器清零从新计时。采集后的地磁数据经过单片机处理后，由RS422串口输出。数字式磁强计的测量流程如图6所示:开始向磁阻传感器发送置位脉冲系统初始化采集地磁场数据数据处理结束数字量输出计时器的时间到 ？NY 图6 软件主流程图4 实验分析与结论实验中通过精度达万分之三的高斯计对系统进行测试，调节磁线圈的供电电压，使磁线圈产生均匀稳定的磁场，将磁强计置于线圈的匀强磁场区
13、域，在三个灵敏轴方向分别进行测量，在-1000Guass到1000Guass的变化范围内，每次按照100Guass的变化量进行递增或递减，记录下数字磁强计的模拟输出部分的电压输出量和磁强计显示的真实磁场强度值。通过Matlab对数据进行线性拟合，计算出灵敏度、迟滞等相关的指标，表1是计算后系统的各项指标，满足了设计的要求，发挥了相应的测量作用。表1 实验计算出的系统各相关指标对照表非线性 重复性 迟滞性 综合精度指标要求 0.08% 0.09% 0.09% 0.15%系统实现 0.08% 0.085% 0.08% 0.142%实验结果表明该数字式磁强计设计方案可行，响应速度快、数据采集方便、精
14、度高，可应用于导航、野外定向、气象探测等各个领域。参考文献：1 沈波,黄晓毛,王志兴,等. 基于地磁原理的计转数传感器技术研究J.兵工学报，2003,24（3）：313-315.2 谢瑞芳.基于地磁信息的新型测速方法研究,国防科学技术大学硕士论文,2010.3 崔璐璐.基于MEMS器件的姿态测量系统研究与实现,大连理工大学硕士论文, 2009.4 Honeywell.1-and 2-Axis Magnetic Sensors HMC1001/1002/1021/1022EB/OL. 2011-5. http：/.5 李玎,卜雄洙,基于非正交磁传感器组合的旋转弹体姿态测量J. 兵工学报，2010,31(10):1316-1321.6 马文数字式磁罗盘误差补偿方法及其实验研究R上海交通大学导航与控制研究所,2006,12.7 刘诗斌微型智能磁航向系统研究D.西安:西北工业大学.2001:89-97作者简介:孙笠森(1987-)，男，硕士生，主要研究方向：动态测试与智能仪器；岳凤英(1977-)，女，硕士生导师，主要研究方向：测试计量技术及仪器、传感器与微机电技术（MEMS ）、惯性导航；李永红(1967-)，男，硕士导师，主要研究方向：动态测试技术、MEMS技术的研究与开发、卫星/微惯性组合导航与制导技术。
