數字式電子羅盤*

張秀再 ，張一波 ，杜 蒙 ，范江棋

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

0 引言

數字式電子羅盤是利用地磁場來實現指向功能的系統。電子羅盤與傳統的自主慣性導航設備相比，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。電子羅盤與常規的指針型羅盤相比，具有一些突出的優點，如抗沖擊性、抗震性，并且能夠對雜散磁場進行補償，輸出電信號，可與其他電子設備集成。系統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，其體積小,響應時間快[1]。因此，采用磁電阻傳感器的電子羅盤是磁電子羅盤的發展方向。

本文采用意法半導體（ST）公司的 MEMS數字集成芯片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，實現了一種高精度、節能的數字式電子羅盤。

1 方向角計算模型

現實中，數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系下的三軸分量。當羅盤水平放置、載體坐標系的初始姿態與參考坐標系重合時，其三軸的測量輸出值為（測量值經過標準歸一處理化）：

當羅盤處于任意姿態時，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：

因實際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。設當前羅盤的翻滾角為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 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。根據羅盤實際姿態和水平面的關系，可得：

其中，Rγ、Rθ分別為翻滾角 γ 和俯仰角為 θ的旋轉轉化矩陣：

將式(9)、式(10)代入式(8)可得：

將式（11）代入式（7）計算方向角；通過查表得到當地的磁偏角β，則真北方向角Ψo為：

2 硬件系統結構

圖1 系統結構框圖

系統結構框圖如圖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 測量結構裝置

系統測量裝置如圖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據和定位模塊的數據，經過計算后在LCD12864液晶屏上顯示。

圖2 測量裝置結構圖

4 硬件電路設計

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，適應工業級的運行環境。其采用16位的總線,外設和內存統一編址,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體(ST)公司的 MEMS數字集成芯片LSM303DLHC，該模塊內集成了三軸加速度傳感器和三軸磁感應傳感器，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芯片上的磁感應元件采用基于霍尼韋爾的各向異性磁阻技術，使得芯片在計算精度和功耗上具有很高的優勢。當電子指南針模塊放置的位置發生變化時，因為地磁場的相對改變，使傳感器阻值發生變化，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據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的液晶對比度調節可以通過電位器來調節，PSB是液晶數據傳輸模式選擇位，如果PSB接高電平則液晶工作在并行數據傳輸模式，如果PSB接低電平則液晶工作在串行數據模式。17腳是液晶的復位端，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換成為電能，有陽光時，太陽能板將轉換的電能一部分送給主控系統供電，另一部分存儲在鋰蓄電池中，保證了系統全天候地工作[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作為模塊串口發送腳與單片機的P3.6相連，用于GPS發送數據；GPS RXD模塊串口接收腳與單片機的P3.7相連，用于GPS接收數據。

RT9193-33是專為便攜式設備的射頻和無線應用要求而設計的，具有高精度、低噪音、高速度等特點，兼容低ESR電容，采用CMOS工藝生產的低壓差LDO電壓調整器，其內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連接，串口波特率支持 4 800 b/s、9 600 b/s、38 400 b/s(默認)、57 600 b/s 等不同速率，兼容5 V/3.3 V單片機系統。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 電子指南針模塊數據校正

由于系統在實際應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)，理想狀態下磁場水平向量在電子羅盤載體坐標系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。誤差補償系數的求解采用最小二乘橢圓擬合[5]，根據實際測量輸出擬合求解橢圓方程的參數，并進一步解得誤差補償系數，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據(Hxi、Hyi)(i=1，2，3…M)擬合橢圓方程。根據所有測量點到理想橢圓的距離的平方和最小準則來確定橢圓方程系數 Ki(i=1，2，3，4，5)[6]以及確定橢圓的離心角η，由橢圓方程系數得到誤差補償系數：

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 軟件設計

系統運用MSP430F149單片機[3，7]作為核心控制部分，通過系統程序實現具體功能，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 實驗結果

系統經過軟硬件的調試及實驗，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測試的方位角進行對比。實驗結果如表1所示。

8 結論

該系統實現了方位角的實時測量與顯示，能夠比較準確地測量所在位置的方位角，顯示出角度值。該系統輕巧便攜，適合于船舶導航、野外科研考察等。數字式電子羅盤的應用可以節省一定的人力及財力資源，提高測量的準確度。系統節能環保，性能穩定，具有一定的現實意義和實用價值。

表1 實驗結果對比 （單位：°）

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

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

[3]冒曉莉，楊博，楊靜秋，等.基于 MSP430單片機的節能型數字調頻發射機[J].電子技術應用，2013，39（5）：138-140.

[4]何道清，何濤.太陽能光伏發電系統原理與應用技術[M].北京：化學工業出版社，2012.

[5]劉詩斌，馮曉毅，李宏.基于橢圓假設的電子羅盤誤差補償方法[J].傳感器技術，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字磁羅盤[J].吉林大學學報(工學版)，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測系統[J].電子技術應用，2014，40（3）：130-136.