磁罗盘设计-HMR3300反设计方案（原）

一．     设计思想

根据HMR3300的布局布线，选定元器件；其中传感器不变，CS5523改选为CS5533，原因是CS5523的内部架构对静电干扰敏感，焊接时易于损坏内部架构，微控制器该为ARM7系列的32bit处理器。

HMR3300设计的背景知识分析：地球的磁场强度为0.5～0.6高斯，与地平面平行，永远指向磁北极，磁场大致为双极模式：在北半球，磁场指向下，赤道附近指向水平，在南半球，磁场指向上。无论何地，地球磁场的方向的水平分量，永远指向磁北极，由此，可以确定罗盘系统的方向。

传统的飞行器，通过3个角度：航向，俯仰和横滚，定义了姿态参数，这些角度，都是参考本地水平面，即：垂直于地球重力矢量的平面。

航向，在当地的水平面上，顺时针方向矢量，与真实北极（地球的两极轴）的夹角。

俯仰，飞行器的纵向轴和当地的水平面之间的夹角。

横滚，关于飞行器的横向轴的角度，是当地的水平面与实际飞行姿态之间的夹角。

二．     器件选型

1．          一维、二维磁阻微电路芯片（HMC1021Z，HMC1022S）传感器的机构为四臂的惠斯通电桥，将磁场转换为差动输出的电压。可检测低至85微高斯的磁场。器件特性：

（1） 电桥电压：5～12V；

（2） 电桥电阻：800～1300Ω；

（3） 磁场范围：－6～6Guass;

（4） 线性度误差：0.05％～1.6％FS;

（5） 灵敏度：0.8~1.2mV/V/Guass@ S/R=0.5A;

（6） 电桥偏置：－10mv~+11.25mv，典型值±2.5mV@偏置＝（输出＋）－（输出－），在设定脉冲后磁场＝0高斯，V电桥＝5V;

（7） 噪声密度：48Nv/√Hz@在1Hz，V电桥＝5V;

（8） 分辨率：85uGauss@带宽＝10Hz，电桥电压＝5V；

（9） 带宽：5MHz@磁信号（下限＝DC）;

（10）              OFFSET(偏置)带：40～60Ω，典型值50Ω@从OFFSET+至OFFSET－之间进行测量；

（11）              OFFSET(偏置)磁场：4.0～6.0mA/高斯，典型值4.6 mA/高斯;

（12）              置位/复位电流带阻  6～9Ω, 典型值7.7Ω@从S/R+至S/R-之间测量；

（13）              置位/复位电流（2us电流脉冲）: 0.5~4Amp，典型值0.5Amp；

（14）              干扰磁场：最小值20高斯@灵敏度开始降低，使用S/R脉冲来恢复灵敏度；

2.AD芯片CS5523

选择依据：

（1） 斩波稳定增益可编程仪表放大器（1X-64X）

－64X时6nV/√Hz@0.1Hz(无1/f噪声)

－增益>1时输入电流500PA

（2） Delta-Sigma 模数转换器

－线性误差：0.00007％FS

－无噪声分辨率：最大15位

（3）4通道差动输入转换器

（4）校准后可选输入范围：±5mV~±2.5V

（5）VREF输入可选，最大到模拟电源（＋1V~+5V）

（6）简单三线串行接口：

   －SPI和Microwire兼容

   －基于FIFO可编程的自动通道次序转换

   －每通道都有可读写的校准寄存器

（7）系统和自身校准

（8）8种可选的字速率

   －最高至617Hz(XIN=200KHz)

   －单次转换设置

   －50/60Hz频率抑制

（9）单一＋5V电源供电

－＋3至＋5V数子电源

（10）低功耗：5.5mW

3. IRF7105 HEXFET Power MOSFET

（1）高级处理工艺

（2）开启时级低的阻抗

（3）双通道N和P 场效应管

（4） 快速转换

（5）无铅

4．电源转换芯片

5V转3.8V;

 

5.       ADXL213 双轴加速度计

（1） 电源电压＋5V；

（2） 高灵敏度；

（3） 脉冲宽度数字输出；

（4） BW通过一个电容调节；

（5） 3500g 抗冲击性能。

一．     原理图

5.1原理图

 略

5.2 原理图说明

传感器1：磁阻传感器HMC1021Z，HMC1022

5.2.1磁阻效应原理

物质在磁场中电阻发生变换的现象称为磁电阻效应。磁电阻效应有普通与各向异性磁电阻效应之分。各向异性磁电阻效应指：当外加磁场偏离强磁性金属（铁、钴、镍及其合金）内部的磁化方向时，金属的电阻减小，而平行时基本上没有变换，玻莫合金薄膜的电阻率ρ依赖于磁化强度M和电流I方向的夹角，即

ρ(θ)= ρ⊥+(ρ//-ρ⊥)cosθcosθ,

式中，ρ//，ρ⊥分别平行于M和垂直M的电阻率。

玻莫合金（Fe20Ni80）在弱磁场下的电阻变化量比较大，因此，适合于弱磁场条件下使用。

5.2.2传感器工作原理

1）整个传感器最关键的部分是其中的惠斯通电桥。当外加磁场后，电桥的电阻变化，如图所示，引起传感器输出电压Uout变化

Uout=(ΔR/R)Ub，

式中Ub为传感器工作电压。

 

2）置位和复位电流用来修正传感器的灵敏度。在外场超过10x10-4T的磁场会打乱传感器内部磁畴的极化方向，改变传感器的输出特性，降低灵敏度。利用置位和复位电流带上施加脉冲，使内部磁畴的极化方向统一，提高灵敏度。

5.2.3 信号采集电路

整个数据采集系统包括三大部分：置位/复位部分、信号调理部分和采集部分，前端调理电路主要功能是消除共模干扰，对微弱小信号进行放大、滤波、差分输出，经屏蔽线传输至数据采集部分，数据采集部分完成数据采集并存储和信号解算，置位/复位部分避免了磁阻传感器受到环境中强大磁场的干扰而导致的输出衰变，保证了数据输出的正确和稳定。

5.2.3.1置位/复位电路

当磁阻传感器暴露于干扰磁场中时，传感器元件会分成若干方向随机的磁区域，从而导致灵敏度衰减。环境中的强磁场（大于5x10-4T时）会导致磁传感器输出信号变异，为了消除这种影响并使输出信号达到最佳，就需要应用磁开关技术（SR+/SR-）来抵消剩余磁场，而HMC1022是借助一个偏置磁场以补偿干扰磁场，即通过集成在芯片内部的置位/复位合金带对薄膜施加3～4A，20～50ns的脉冲电流就可以重新将磁区域对准，统一到一个方向上，这样，可确保高灵敏度和可重复的读数。

本系统采用的置位/复位电路，其产生的强电流脉冲为11.2A（>4A）满足了系统的要求，从而可实现低噪声和高灵敏度的磁场测量。置位/复位电路具体实现的难度：（1）窄脉冲；(2)重负载；（3）使用电容时还要考虑其电阻特性。

本系统中S/R+~S/R-电流带采用三个并联的方式，这样三个并联的S/R带的电阻等效为：约2.4Ω。RESET脉冲采用IRF7105提供的放电电路，根据计算在2us的时间内放电电流约为0.5A，满足RESET条件。三个磁阻传感器的电源采用约3.8V的供电电源。静态理想条件下，OUT+/OUT-的端口电压约为2.0V。

传感器2：双轴加速度计ADXL213

-3dB带宽的设计公式：

F–3 dB = 1/(2π(32 kΩ) × C(X, Y))

F–3 dB = 5 μF/C(X, Y)

下表是滤波器的选择，Cx和Cy

带宽（Hz）	电容(uF)
1	4.7
10	0.47
50	0.10
100	0.05
200	0.027
500	0.01

ADXL213噪声特征通过下式表示

rmsNoise=(160ug/√Hz)×(√BW ×1.6)

静态条件下，双轴加速度计倾斜时的计算公式

PITCH=ASIN(Ax/1g)

ROLL=ASIN(Ay/1g)

一．     PCB设计

PCB设计注意的问题有：SI，EMI，电源的布局布线。

二．     软件设计

需要软件的同志可以向我索取：Email: mingxunyang@sina.com.算法属于公司机密，不能交流。仅仅交流数据采样部分，NXP　ＬＰＣ２３７８　主处理器，ＳＰＩ串口读取。