Электронный компас на магниторезистивных датчиках

Электронный компас на магниторезистивных датчиках

Современные достижения в области микроэлектроники, цифровых вычислительных систем позволяют разрабатывать новые устройства малых размеров, высокой производительности, большой, разрешающей способности, с большой скоростью обработки информации.
Одним из перспективных направлений является применение датчиков магнитного поля, способных измерять напряженность в любой точке земной поверхности.

Все навигационные системы сегодня используют различные типы датчиков для определения своего положения относительно сторон света, используя магнитное поле земли. Магнитный компас используется во всех сферах навигации, а магнитная стрелка является одной из разновидностей компасов. Электронные компасы имеют ряд преимуществ перед «традиционными» таких как вибро- и удароустойчивость, возможность введения автоматической компенсации при действии внешних полей, прямое соединение с электронной системой навигации.

Магнитное поле земли параллельно земной поверхности и направлено строго на северный магнитный полюс. Данное магнитное поле и используется для определения азимута.
Рисунок.1. - Магнитное поле земли

Рисунок.1. - Магнитное поле земли

Существуют различные типы датчиков магнитного поля: индуктивные, магниторезистивные, магнитоиндукционные и т.д. Магниторезистивные датчики изготавливаются в виде тонкой полосы пермаллоя, сопротивление которого зависит от внешнего магнитного поля. Магниторезистивные датчики имеют строго определённую ось чувствительности и производятся в виде интегральных микросхем. Чувствительность датчиков достигает 0,1 мГс, время ответа менее 1 мкс. Но при вычислении азимута (рис. 2)
Рисунок 2 - Принцип вычисления азимута

Рисунок 2 - Принцип вычисления азимута

возникает необходимость учета того, что при Х=0 возникает деление на ноль. Для устранения данного недостатка предлагается использовать следующие соотношения:
Электронный компас на магниторезистивных датчиках

Функциональная схема системы измерения направления на магнитный север

Рисунок 3 - Функциональная схема системы измерения направления на магнитный северРисунок 3 - Функциональная схема системы измерения направления на магнитный север

Рисунок 3 - Функциональная схема системы измерения направления на магнитный север

Основу схемы составляет устройство измерения магнитного поля, которое формирует четыре составляющих: (+А), (-А), (+В), (-В). Данные, содержащие информацию о текущем азимуте, поступают на устройство преобразования. За счет высокой чувствительности устройства измерения магнитного поля, может наблюдаться эффект остаточной намагниченности, связанный с внутренней структурой устройства. Снятие остаточной намагниченности, обеспечивает устройство размагничивания, путём выдачи импульса размагничивания в момент прихода команды на размагничивание с устройства формирования протокола.

Устройство преобразования представляет собой 4-х канальный аналого-цифровой преобразователь, который обеспечивает все процессы преобразования аналогового сигнала в цифровой, а также процессы управления для осуществления низкочастотных измерений с использованием датчиков.

После преобразования, по каналу данных, цифровой сигнал поступает на формирователь протокола, конструктивно выполненный на базе микроконтроллера. Формирователь протокола является устройством, которое выполняет функцию как согласования устройств, так формирования бит данных для дальнейшей обработки информации.

Считывание информации происходит в момент прихода сигнала разрешения на формирователь протокола, коммутируемый устройством преобразования в тот момент, когда устройство преобразования готово к выдаче информации.

Информация о текущем азимуте, закодированная в биты данных, далее поступает на устройство сопряжения. В устройстве сопряжения сигнал преобразуется в последовательный код который и выдаётся на устройство вывода информации.

Устройство измерения магнитного поля разработано на базе магниторезистивного датчика НМС1002.(Скачать Datasheet )
Двухканальный магниторезистивный датчик НМС1002 представлен в виде микросхемы и предназначен для измерения напряжённости магнитного поля земли по осям (A) и (B). 

Точность изменения угла положения составляет 0,01 °, при этом датчик имеет низкий гистерезис (<0,05 %) и высокую степень линейности (ошибка <0,05 %) с чувствительностью 0,07 мГс.
Для построения устройства измерения магнитного поля предлагается использовать схему, приведённую на (рис.4)
Рисунок.4 - Принципиальная схема цифрового устройства измерения магнитного поляРисунок.4 - Принципиальная схема цифрового устройства измерения магнитного поля

Рисунок.4 - Принципиальная схема цифрового устройства измерения магнитного поля

Аналоговый сигнал с выхода магниторезистивного датчика подаётся на 4-х канальный аналого-цифровой преобразователь для дальнейшей обработки.
Внутренняя структура магниторезистивного датчика выполнена из магниточувствительного сплава (пермаллоя), и при воздействии на него сильного внешнего магнитного поля может наблюдаться эффект остаточной намагниченности. Для предотвращения искажений в показаниях необходимо подать импульс set/reset (рис.5), что обеспечивается с помощью транзисторной сборки IRF7105.(Скачать Datasheet  )

Рисунок.5 - Импульс размагничивания

Рисунок.5 - Импульс размагничивания

В нормальном состоянии управляющий вывод процессора находится в состоянии «лог.1». Для подачи импульса set/reset вывод кратковременно переводится в состояние «лог.0», а потом «лог.1». При работе компаса данную процедуру целесообразно проводить каждые 20...30 с, что также позволит избавиться от температурного дрейфа датчика.
Четырёхканальное устройство преобразования

Четырёхканальное устройство преобразования выполнено на базе микросхемы AD7705.(Скачать Datasheet )
Данная микросхема имеет два дифференциальных аналоговых входа; диапазон входного сигнала можно устанавливать равным ±160 мВ или ±2.56 В. Диапазон входного сигнала и выбор канала производится с помощью внешних выводов. Интегральная схема AD7705 позволяет переводить устройство в режим пониженного энергопотребления в промежутках между выполнениями аналого-цифровых преобразований, что снижает среднюю величину потребляемой устройством мощности.

На принципиальной схеме АЦП AD7705 (рис.6) представлен трёхпроводный последовательный интерфейс: DOUT/RDY, SCLK и CS.

Рисунок.6 - Принципиальная схема включения АЦП AD7705

Рисунок.6 - Принципиальная схема включения АЦП AD7705

После включения микросхема начинает работать в режиме непрерывного преобразования с частотой обновления данных на выходе 19,79 МГц.

Вывод CS выполняет две функции: с его помощью устройство переводится в режим пониженного энергопотребления (power down), и кроме того, он работает как вход выбора кристалла. Если на вход CS подан сигнал высокого уровня, непрерывная работа АЦП останавливается, вывод DOUT/RDY переходит в третье (высокоимпедансное) состояние и AD7705 переходит в режим пониженного энергопотребления.

Вывод SCLK также переходит в высокоимпедансное состояние, если ИС работает в режиме master. Встроенный тактовый генератор ИС AD7705 продолжает работать и в режиме пониженного потребления. В активном режиме ИС AD7705 потребляет 1,3 мА при напряжении питания 3 В и 1,5 мА при напряжении источника питания 5 В. В режиме пониженного энергопотребления типичные значения составляют 6 мкА при 3 В и 20 мкА при 5-вольтовом питании.
Принцип работы АЦП AD7705 можно пояснить при помощи временных диаграмм (рис.7).

Рисунок.7 - Временные диаграммы АЦП AD7705Рисунок.7 - Временные диаграммы АЦП AD7705

Рисунок.7 - Временные диаграммы АЦП AD7705

Подача на вход CS сигнала низкого уровня, приводит к росту энергопотребления ИС AD7705.
После включения, микросхеме требуется некоторое время для установления (около 1 мс). После этого АЦП начинает преобразование. Сигма-дельта АЦП имеют конвейерную задержку, поэтому для получения на выходе ИС корректного результата требуется два периода преобразования после выхода ИС из режима пониженного потребления. Выход RDY остается в состоянии высокого уровня до того момента, когда будет получен достоверный результат преобразования. При частоте обновления данных на выходе 19,79 МГц длительность периода преобразований равна 50,5 мс.

Применение данной микросхемы за счёт возможности задания коэффициента усиления программным способом позволяет отказаться от дополнительного применения операционного усилителя для усиления дифференциального сигнала с выхода датчика (диапазон выходного напряжения датчика составляет ±30 мВ), что повышает гибкость системы.

Устройство формирования протокола

Микросхема FTDI245 (рис. 8), входит в состав распространенного семейства FTDI2XX и является устройством сопряжения между микроконтроллером и устройством вывода информации посредством последовательного интерфейса USB.(Скачать Datasheet )
Рисунок.8 - Принципиальная схема FTDI245

Рисунок.8 - Принципиальная схема FTDI245

Принцип работы микросхемы можно пояснить посредством алгоритма работы последовательного интерфейса USB. На рис.9 изображен формат передачи данных.
Рисунок.9 - Формат передачи данныхРисунок.9 - Формат передачи данных

Рисунок.9 - Формат передачи данных

В момент отсутствия данных, на линии устанавливается уровень логического нуля. Это называется режимом ожидания. Начало режима передачи данных характеризуется передачей уровня логической единицы. Биты данных посылаются последовательно, причем младший бит первым; всего их восемь.
Рисунок 10 – Модель электронного компасаРисунок 10 – Модель электронного компаса

Рисунок 10 – Модель электронного компаса

Приведённые ранее соотношения позволяют провести измерения с малыми ошибками на открытой местности при отсутствии предметов, вносящих искажения в магнитное поле земли. Эксперименты показали, что разработанный магнитный компас, который должен быть установлен на транспортном средстве, измеряет силовые магнитные линии с большой ошибкой, которая в ряде случаев достигала 45 % от истинного направления (рис.11). 
Рисунок.11 - Показание датчика при искажении магнитного поля

Рисунок.11 - Показание датчика при искажении магнитного поля

Такие искажения от магнитных материалов «железо, никель, сталь, кобальт и т.д.» можно представить как сумму магнитного поля земли и магнитного поля транспортного средства. Таким образом, для определения магнитного поля земли необходимо заранее определить компенсацию дополнительного магнитного поля.
Магнитное поле транспортного средства искажает эту окружность в эллипс и смещает центр.
Для внесения компенсации необходимо определить два масштабирующих коэффициента Хsf и Ysf преобразующих эллипс в окружность, и две корректирующие величины Xoff и Yoff возвращающие центр окружности в точку начала координат (рис.12).

Рисунок.12 - Показание датчика при внесении компенсации

Рисунок.12 - Показание датчика при внесении компенсации

В этом случае величины X и Y для расчёта азимута вычисляются по системе уравнений:
Электронный компас на магниторезистивных датчиках

где Xd и Yd — показания соответствующих датчиков.
Самый простой метод калибровки состоит в следующем:
- подвижный объект с установленным на нём компасом поворачивается на 360° в горизонтальной плоскости;
- определяются максимальные и минимальные показания датчиков по осям X и Y; 
- с помощью четырёх нижеприведённых выражений определяются масштабирующие коэффициенты Хsf , Ysf и корректирующие величины Xoff , Yoff:
Электронный компас на магниторезистивных датчиках

Предложенная схема электронного компаса обеспечивает измерение магнитного поля земли, преобразование сигнала и управление процессом выдачи информации по последовательным однонаправленным асинхронным линиям данных на устройство вывода информации.
Электронный компас на магниторезистивных датчиках

 
Файлы для скачивания:
Скачать схему подключения HMC1002- ;
Скачать схему подключения AD7705 -  ;
Скачать драйвер FTDI -  ;
Скачать проект и прошивку для PIC16F877A -  ;
Скачать проект для ПК -  .
Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.