張秀再 ，張一波 ，杜 蒙 ，范江棋

（1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心，江蘇 南京 210044）

0 引言

數(shù)字式電子羅盤是利用地磁場來實現(xiàn)指向功能的系統(tǒng)。電子羅盤與傳統(tǒng)的自主慣性導(dǎo)航設(shè)備相比，具有體積小、成本低、無累計誤差、能夠高精度指示真北方向等特點。電子羅盤與常規(guī)的指針型羅盤相比，具有一些突出的優(yōu)點，如抗沖擊性、抗震性，并且能夠?qū)﹄s散磁場進行補償，輸出電信號，可與其他電子設(shè)備集成。系統(tǒng)所采用的磁電阻傳感器由坡莫合金制成，這種坡莫合金薄膜的電阻值隨外界磁場的變化而變化，傳感器具有明顯的靈敏軸,可作為集成電路生產(chǎn)，其體積小,響應(yīng)時間快[1]。因此，采用磁電阻傳感器的電子羅盤是磁電子羅盤的發(fā)展方向。

本文采用意法半導(dǎo)體（ST）公司的 MEMS數(shù)字集成芯片LSM303DLHC作為測量器件、(ulbox)NEO-6M GPS模塊為定位器件、MSP430F149為主控芯片，集成了太陽能供電方式，實現(xiàn)了一種高精度、節(jié)能的數(shù)字式電子羅盤。

1 方向角計算模型

現(xiàn)實中，數(shù)字式電子羅盤并非始終處于水平面上，因此需要用LSM303DLHC中的三軸加速度傳感器測俯仰角和翻滾角，通過坐標(biāo)變換將磁傳感器測得的磁場強度分量折算到水平方向，再計算方向角。

俯仰角和翻滾角的計算方法為[2]：加速度傳感器的三軸測量輸出值為重力加速度在載體坐標(biāo)系下的三軸分量。當(dāng)羅盤水平放置、載體坐標(biāo)系的初始姿態(tài)與參考坐標(biāo)系重合時，其三軸的測量輸出值為（測量值經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)歸一處理化）：

當(dāng)羅盤處于任意姿態(tài)時，其三軸測量輸出值為：

利用方向余弦矩陣：

另外，俯仰角、翻滾角分別為：

地磁場矢量H可分解為水平分量Hh和垂直分量Hv，Hh總是指向地磁北極。系統(tǒng)的三軸磁強傳感器的測量輸出為地磁場矢量在3個測量軸上的分量。當(dāng)羅盤水平放置時，三軸磁強傳感器的X軸測量輸出Hx、Y軸的測量輸出Hy為地磁場水平分量Hh在兩軸上的分解。則水平面時方向角Ψ為：

因?qū)嶋H使用時并不能保證羅盤一直保持水平，故不能使用式（7）計算方向角。設(shè)當(dāng)前羅盤的翻滾角為γ，俯仰角為θ，方向角為Ψ，三軸磁強傳感器的測量輸出M(γ，θ，Ψ)=[MxMyMz]T； 設(shè) 羅 盤 水 平 放 置 時 具 有 相 同 方 向角的三軸磁強傳感器測量輸出為 M(0，0，Ψ)=[MHxMHyMHz]T。根據(jù)羅盤實際姿態(tài)和水平面的關(guān)系，可得：

其中，Rγ、Rθ分別為翻滾角 γ 和俯仰角為 θ的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化矩陣：

將式(9)、式(10)代入式(8)可得：

將式（11）代入式（7）計算方向角；通過查表得到當(dāng)?shù)氐拇牌铅?，則真北方向角Ψo為：

2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，以MSP430F149為主控模塊，由連接太陽能板的鋰蓄電池為電源模塊，以數(shù)字集成芯片LSM303DLHC為電子指南針模塊，以LCD12864液晶屏為顯示模塊，以NEO-6M GPS為定位模塊。

3 測量結(jié)構(gòu)裝置

系統(tǒng)測量裝置如圖2所示，裝置固定在裝置臺上，太陽能模塊通過系統(tǒng)支架固定在裝置臺上，光伏板通過接收陽光給鋰蓄電池充電，MSP430單片機接收電子指南針模塊的數(shù)據(jù)和定位模塊的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算后在LCD12864液晶屏上顯示。

圖2 測量裝置結(jié)構(gòu)圖

4 硬件電路設(shè)計

4.1 單片機主控芯片

MSP430是德州儀器公司的具有16位總線、帶Flash的單片機，其集成度高，可以在超低功耗模式下工作,可靠性好,加強電干擾運行不受影響，適應(yīng)工業(yè)級的運行環(huán)境。其采用16位的總線,外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址,尋址范圍可達64 KB，還可以外擴展存儲器。此外，具有統(tǒng)一的中斷管理和豐富的片上外圍模塊[3]。

4.2 電子指南針模塊

電子指南針模塊采用了意法半導(dǎo)體(ST)公司的 MEMS數(shù)字集成芯片LSM303DLHC，該模塊內(nèi)集成了三軸加速度傳感器和三軸磁感應(yīng)傳感器，LSM303DLHC芯片線性加速度的測量范圍為 ±2 g～±16 g，磁場強度測量范圍從±3.1～±8 Gs，LSM303DLHC芯片上的磁感應(yīng)元件采用基于霍尼韋爾的各向異性磁阻技術(shù)，使得芯片在計算精度和功耗上具有很高的優(yōu)勢。當(dāng)電子指南針模塊放置的位置發(fā)生變化時，因為地磁場的相對改變，使傳感器阻值發(fā)生變化，引起電流的變化。電子指南針模塊的信號輸出端SCL、SDA與單片機 P6.1、P6.2端口相連，信號由單片機進行數(shù)據(jù)處理得到此時的角度，并顯示到LCD12864液晶屏上。電子指南針模塊原理圖如圖3所示。

4.3 顯示模塊

顯示模塊采用12864液晶屏，該液晶屏功能齊全，操作簡單，價格低廉。12864的液晶對比度調(diào)節(jié)可以通過電位器來調(diào)節(jié)，PSB是液晶數(shù)據(jù)傳輸模式選擇位，如果PSB接高電平則液晶工作在并行數(shù)據(jù)傳輸模式，如果PSB接低電平則液晶工作在串行數(shù)據(jù)模式。17腳是液晶的復(fù)位端，此端口直接與液晶供電(LCD)相連，上電后液晶模塊自動完成復(fù)位功能。12864液晶屏原理圖如圖4所示。

圖3 LSM303DLHC電子指南針模塊原理圖

圖4 12864液晶屏原理圖

4.4 電源模塊

太陽能板可以將太陽能轉(zhuǎn)換成為電能，有陽光時，太陽能板將轉(zhuǎn)換的電能一部分送給主控系統(tǒng)供電，另一部分存儲在鋰蓄電池中，保證了系統(tǒng)全天候地工作[4]。電源模塊供電示意圖如圖5所示。

圖5 電源模塊供電示意圖

4.5 定位模塊

ATK-NEO-6M GPS是一款高性能GPS定位模塊。該模塊采用U-BLOXNEO-6M模組，自帶高性能無源陶瓷天線和可充電后備電池。GPS TXD作為模塊串口發(fā)送腳與單片機的P3.6相連，用于GPS發(fā)送數(shù)據(jù)；GPS RXD模塊串口接收腳與單片機的P3.7相連，用于GPS接收數(shù)據(jù)。

RT9193-33是專為便攜式設(shè)備的射頻和無線應(yīng)用要求而設(shè)計的，具有高精度、低噪音、高速度等特點，兼容低ESR電容，采用CMOS工藝生產(chǎn)的低壓差LDO電壓調(diào)整器，其內(nèi)部包括參考電壓源電路、誤差放大器電路、過流保護電路和相位補償電路。

定位模塊通過串口與外部系統(tǒng)連接，串口波特率支持 4 800 b/s、9 600 b/s、38 400 b/s(默認(rèn))、57 600 b/s 等不同速率，兼容5 V/3.3 V單片機系統(tǒng)。ATK-NEO-6M GPS模塊電路圖如圖6所示。

圖6 ATK-NEO-6M GPS模塊原理圖

5 電子指南針模塊數(shù)據(jù)校正

由于系統(tǒng)在實際應(yīng)用中會受到各種磁場的干擾，所以要對磁場傳感器測量輸出進行誤差補償。設(shè)羅盤在水平放置時的磁強傳感器 x、y軸的實際輸出為(Hbx、Hby)，理想狀態(tài)下磁場水平向量在電子羅盤載體坐標(biāo)系x、y方向上的磁場強度為(Hx、Hy)，則可建立誤差補償模型[2]：

對角矩陣使圓變成橢圓，Kx、Ky分別表示橢圓長短半軸的變化程度；B、By表示橢圓圓心偏離原點的偏移量。誤差補償系數(shù)的求解采用最小二乘橢圓擬合[5]，根據(jù)實際測量輸出擬合求解橢圓方程的參數(shù)，并進一步解得誤差補償系數(shù)，平面任意位置橢圓方程式表示為：

在磁場干擾影響下，水平面內(nèi)x、y方向的輸出曲線為橢圓曲線，利用電子羅盤在x、y方向的 M(M≥5)個測量點的測量輸出數(shù)據(jù)(Hxi、Hyi)(i=1，2，3…M)擬合橢圓方程。根據(jù)所有測量點到理想橢圓的距離的平方和最小準(zhǔn)則來確定橢圓方程系數(shù) Ki(i=1，2，3，4，5)[6]以及確定橢圓的離心角η，由橢圓方程系數(shù)得到誤差補償系數(shù)：

通過 K1，K2…K5以及 Kx和 Ky的確定，利用式(12)～(16)可得出誤差補償后的輸出 Hbx、Hby，從而計算出方向角。

6 軟件設(shè)計

系統(tǒng)運用MSP430F149單片機[3，7]作為核心控制部分，通過系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)具體功能，程序流程圖如圖7所示。程序首先初始化MSP430F149單片機，然后進行方位角的實時采集與顯示。

圖7 程序流程圖

7 實驗結(jié)果

系統(tǒng)經(jīng)過軟硬件的調(diào)試及實驗，采用某型號手機上的電子羅盤顯示值作為參考方位角與該系統(tǒng)測試的方位角進行對比。實驗結(jié)果如表1所示。

8 結(jié)論

該系統(tǒng)實現(xiàn)了方位角的實時測量與顯示，能夠比較準(zhǔn)確地測量所在位置的方位角，顯示出角度值。該系統(tǒng)輕巧便攜，適合于船舶導(dǎo)航、野外科研考察等。數(shù)字式電子羅盤的應(yīng)用可以節(jié)省一定的人力及財力資源，提高測量的準(zhǔn)確度。系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保，性能穩(wěn)定，具有一定的現(xiàn)實意義和實用價值。

表1 實驗結(jié)果對比 （單位：°）

[1]李希勝，王家鑫，湯程，等.高精度磁電子羅盤的研制[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2006，19(6)：2441-2444.

[2]高宗余，李德勝.多MEMS傳感器姿態(tài)測量系統(tǒng)的研究[J].電光與控制，2010，17(3)：68-70.

[3]冒曉莉，楊博，楊靜秋，等.基于 MSP430單片機的節(jié)能型數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（5）：138-140.

[4]何道清，何濤.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[5]劉詩斌，馮曉毅，李宏.基于橢圓假設(shè)的電子羅盤誤差補償方法[J].傳感器技術(shù)，2002，21(10)：28-30.

[6]秦勇，趙杰，王曉宇，等.基于橢圓擬合誤差補償算法的數(shù)字磁羅盤[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2009，39(2)：489-493.

[7]張秀再，范江棋，杜蒙，等.高壓電力線積雪厚度的實時監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（3）：130-136.