CN103438876A - 一种基于数字磁通门的磁航向系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的磁航向系统是一种利用地球磁场测量方向的装置。为解决系统采用模拟电路进行信号处理时温度性能相对较差的问题，本发明采用单片机进行信号处理的数字磁通门组成的磁航向系统。该系统将磁通门信号直接转换为数字信号，利用单片机代替传统的模拟电路进行信号处理。该系统电路由供电电源、数字磁通门模块、磁航向解算模块、通信模块和虚拟仪表等组成。数字磁通门电路为闭环控制电路，利用两个单片机C8051f064的高速、高精度AD直接采样三路磁通门信号。磁航向解算电路利用另一个单片机采集数字磁通门输出信号并进行航向解算。通信模块实现单片机与外设、单片机之间以及单片机与上位机之间的通信。虚拟仪表不仅可实时显示系统状态、航向角和系统内部数据，还可以控制系统自动进行调试。

Description

一种基于数字磁通门的磁航向系统

技术领域

本发明涉及一种磁航向系统，具体涉及一种基于数字磁通门的磁航向系统。

背景技术

磁航向系统又称磁罗盘，是一种利用地球磁场测量方向的装置。以在无人机上使用为例，磁航向系统的输出是无人机的机头指向。上世纪60年代以来，作为打靶训练靶标的无人机得到重视，远读磁罗盘由于体积、重量、成本等的优势在无人机航向测量中得到了应用，后与垂直陀螺结合，出现了平台式磁航向系统，该系统的缺点是结构复杂，体积大，造价高。单片机和微系统技术的飞速发展，特别是单片机的应用，使磁航向测量进入了新的发展时期，复杂的机械结构和随动系统被单片机的强大功能所取代，复杂的计算也不再是难题，即所谓的捷联数字式磁航向系统。该系统采用三轴磁传感器测量地磁场在飞机纵轴、横轴和竖轴的分量，从垂直陀螺获取俯仰角和倾斜角信号，用单片机直接解算出磁航向。磁航向系统首次摆脱了复杂的机械结构，可靠性、测量精度大幅度提高，生产成本大幅下降。

但是随着无人机技术的不断发展，对磁场测量在形态、稳定性和准确度等方面都提出了更苛刻的要求，基于传统磁通门的磁航向系统受温度影响大，输出信号的温度稳定性差，其中的模拟电路提高性能成本高调试困难。

发明的内容

为解决上述问题，本发明采用一种基于数字磁通门的磁航向系统，该系统可将磁通门信号直接转换为数字信号，利用单片机代替传统的模拟电路进行信号处理，数字处理不受温度影响，从而提高整个电路的温度性能。

本发明申请涉及一种基于数字磁通门的磁航向系统，该磁航向系统由供电电源模块、数字磁通门模块、磁航向解算模块、通信模块和虚拟仪表模块组成，其特征在于：

该供电电源模块为磁航向系统提供外部和内部电源；

该数字磁通门模块使用两个单片机处理磁通门传感器的三路输出信号，用于将磁通门信号直接转换为数字信号，完成包括模拟信号到数字信号转换、数字处理以及信号调理功能；

该磁航向解算电路模块使用另一个单片机进行航向解算；

该通信模块用于处理单片机与外设之间的通信、单片机之间的通信以及单片机与上位机之间的通信；

该虚拟仪表模块用于提供一种用户友好界面，可以在通用计算机上添加一些专用软件和必要的仪器硬件模块，使用户操作这台通用计算机就像操作一台自己专门设计的传统电子仪器一样。

该磁航向系统的特征还在于：该数字磁通门模块由激励电源、信号调理、数字处理和信号输出及反馈四个部分组成。

该磁航向系统的特征还在于：该磁航向解算电路包括外部辅助电路和信号调理电路；外部的辅助电路提供俯仰角和倾斜角信号，并进行信号调理；系统对俯仰角、倾斜角和磁通门传感器信号进行采样，获得姿态信号和地磁场分量，然后使用单片机对信号进行滤波处理、误差补偿，航向解算等数字处理，最终得到稳定的磁航向信号，并与上位机实时通信。

该磁航向系统的特征还在于：该外部辅助电路模块还包括一个外部基准电路。

附图说明

图1、本发明涉及的磁航向系统模块构成图

图2、本发明涉及的电源电路图

图3、本发明涉及的数字磁通门传感器的原理图

图4、本发明涉及的数字磁通门信号调理电路图

图5、本发明涉及的数字磁通门反馈信号调理电路图

图6、本发明涉及的磁航向解算模块的原理框图

图7、本发明涉及的磁航向解算电路模块辅助电路外部基准电路

图8、本发明涉及的磁航向解算电路模块辅助电路信号调理电路

图9、本发明涉及的虚拟仪表构成示意图

具体实施方式

本发明涉及的磁航向系统包括供电电源模块、数字磁通门传感器电路模块、磁航向解算电路模块、通信模块和虚拟仪表模块五个模块。图1为本发明涉及的磁航向系统模块构成图。该系统共采用三个单片机，其中信号处理模块使用两个单片机处理磁通门传感器的三路输出信号，航向解算模块使用另一个单片机进行航向解算。通信模块主要连接磁航向系统与虚拟仪表。虚拟仪表是既是磁航向系统的显示终端，也是进行系统开发、调试的工具。具体实施方式如下：

1.供电电源模块

本发明涉及的磁航向系统外部电源提供的是±12V直流电压，系统内部器件工作电压分别在+5V和+3V，因此需要电源模块进行电压转换。电路分模拟电路部分和数字电路部分，相应的供电电源也分为模拟电源和数字电源。系统使用同一个稳压电源，这需要在数字电源和模拟电源之间加简单的滤波。

本发明涉及的磁航向系统中的电压转换器件采用的是AS1117-5V和AS1117-3.3V低压差稳压芯片，它们的最大输出电流为800mA，最小输入输出压差为1.2V，这种非常小的源效应和负载效应以及很低的温度系数，完全可以满足系统设计要求，电路如图2所示。

本发明涉及的磁航向系统中的供电电源电路，采用单电源供电的集成运算放大器的工作电源电压为+5V，应用中需为其提供偏置电压，电压值为电源电压的一半，即+2.5V；ADC和DAC的基准电压也为+2.5V；ADC前端调理电路的偏置电压为其基准电压的一半，即+1.25V。因此，系统需为这类器件提供这些电压基准，本发明选用其中的一个单片机的内部+2.5V的电压基准，经运算放大器驱动后提供给相关器件；+1.25V电压则由前面的+2.5V电压经过电阻分压并增加驱动后产生。

2.数字磁通门电路模块

数字磁通门模块采用的是现有的三轴磁通门传感器，分别输出三路相同形式的模拟信号，对应的处理电路也相同。图3所示为数字磁通门传感器的原理图。数字磁通门电路包括激励电源、信号调理电路、数字处理和信号输出及反馈几个部分。

由磁通门传感器的测磁原理可知，传感器铁芯的每半个周期都需要达到深度饱和，这要求激励电路在铁芯中产生的磁场信号有足够的幅度，通常使用正弦波、三角波或方波信号。各种激励信号中，正弦波激励时磁通门输出信号中的高频成分幅值最小，有利于信号采集，但电路结构复杂，且相位难以精确控制，使用直接数字频率合成器，成本较高。

本发明数字磁通门模块中的激励电路采用三角波激励，由单片机产生的方波直接积分产生，激励频率可由单片机修改方波频率间接调整。三路磁通门的激励线圈是串行连接的，以保证三路磁通门的激励电流的一致，但由此带来的问题是，运放输出的最高幅值为5V，不足以产生最佳激励磁场，因此电路采用两个互补输出的三角波信号驱动磁通门传感器，同时电路调整选择合适的电阻获得最佳激励电压。

传感器输出信号较弱，且夹杂干扰信号，不宜直接送入AD进行采集，因此需要进行信号调理。在数字磁通门中，单片机的引入，使得部分调理任务由软件即可完成，简化了信号调理模块的硬件结构，因此本模块主要完成传感器信号电位平移和信号放大，在需要时可进行简单的滤波。

(1)信号滤波

如图4所示，电路中使用的磁通门传感器的反馈线圈和次级线圈是同一线圈，因此反馈电压信号包含在传感器输出信号中。反馈信号可认为是直流信号，而有用的传感器输出信号的频率则相对较高，为了使反馈信号不随被测信号一块送到采集电路，通常在调理电路中使用隔直电容和电压跟随器，使隔直电容与电压跟随器形成一个高通滤波器。图中利用隔直电容C46与电阻R27形成一个RC高通滤波器，一般R和C值很大，因此截止频率f较低，对被测信号的影响很小，可忽略不计。

(2)信号放大

传感器输出信号较小，必须使用前置放大器。图中采用同相放大器对信号进行放大。放大器采用单电源供电，接在滤波电路一端的+1.25V电压为放大器提供合适的直流偏置电压。放大电路的电压增益近似为：A_v＝1+R29/R28

本系统采用的单片机是C8051F064。该芯片是Silicon Laboratories公司生产的高性价比8位单片机，是完全集成的混合信号片上系统型MCU。

信号输出电路模块为闭环控制系统，因此需要把单片机输出的数字信号转化为模拟信号反馈到输入端。反馈通道包含DA转换和信号调理两部分。DA分别采用TI公司的16位双路电压输出芯片DAC8552和16位单路电压输出芯片DAC8551。DAC855x系列芯片具有超低短时脉冲波形干扰特性，精确度可达4LSB，低功耗设计，上电复位输出置零，施密特触发输入，双缓冲输入架构，具有轨对轨的片上输出缓冲放大器，同步或串行输出更新与关断，通过低功耗SPI串行接口与单片机通信，满足系统要求。

信号调理部分包括低通滤波和跟随器。电路如图5所示。其中低通滤波可以产生平滑的输出电压，通常称这种低通滤波器为平滑滤波器，其截止频率等于DAC输出保持频率的四分之一。因为DAC的输出驱动能力有限，因此在滤波器后加跟随器增加反馈信号驱动能力，然后选择合适的电阻串联在反馈回路中，充分利用DA的输出范围。图中的X+、X-为传感器电路的输出测量端。

3.磁航向解算电路模块

附图6为磁航向解算模块的原理框图。外部的辅助电路提供俯仰角和倾斜角信号，并进行信号调理。系统对俯仰角、倾斜角和磁通门传感器信号进行采样，获得姿态信号和地磁场分量，然后单片机对信号进行滤波处理、误差补偿，航向解算等数字处理，最终得到稳定的磁航向信号，并与上位机实时通信。

为了给系统提供可调的模拟角度信号，本发明的外部辅助电路模块还包括一个外部基准电路如图7所示。其中，设计电路以0-+5V表示-90-+90度的角度信号，分别利用变阻器R73和R79提供需要的角度信号。俯仰角、倾斜角信号为0-+5V的电压信号，而ADC的的输入范围为0-+2.5V，因此需要对该角度信号进行预处理。

图8所示为信号调理电路原理图，其主要完成的功能为信号放大和电位平移功能。调理电路需要满足的条件是：

(1)输入0-+5V，对应输出为+0.25V-+2.25V；

(2)当输入悬空时，输出为0度信号，即1.25V；

在本发明所涉及的磁航向解算电路模块选用内部包含AD的单片机方案。对AD的速度要求不高，但系统计算量很大，因此应选用带高精度AD的高性能单片机。本发明所涉及的磁航向解算电路模块采用Silicon Laboratories公司的C8051F352(以下简称MCU_0)单片机，它是完全集成的混合信号片上系统型MCU。

4.通信模块

本系统中的通信包括单片机与外设之间的通信、单片机之间的通信以及单片机与上位机之间的通信三种通信。

（1）与外设通信模块

系统中单片机与外设的通信主要指与DAC之间的通信。单片机向其输出控制命令和数据。本模块只进行单向通信，但要求速度较高，通信距离很短，且使用频繁，要求编程简单，因此选用了SPI总线。串行外设接口SPI提供访问灵活的全双工串行总线。可以作为主器件和从器件，有3线工作方式和4线工作方式，并支持在同一SPI总线上连接多个主器件和从器件。作为主器件时，最大数据传输率是系统时钟频率的二分之一或12.5MHz。

本模块单片机作为单一主器件，只进行输出数据和命令操作，DAC作为单一从器件。所以总线工作在3线主方式，同时单片机利用一个IO口控制DAC的输入触发。

（2）单片机间通信模块

由于本发明涉及的磁航向系统包含三个单片机，在进行系统调试时需要三个处理器协同工作。因此需要进行单片机间通信。此通信模块通信距离短，且速度要求不高，选用了SMBus总线。

该接口是一个双线的双向串行总线，一个总线上可以有多个主器件，可以协调同一总线上的不同速度的器件，总线上的最大器件数只受所要求的上升和下降时间的限制；总线上不同器件的工作电压可以不同；系统对总线的操作以字节为单位，有SMBus接口自动控制数据的串行传输；一个主器件可以寻址多个从器件，数据传输的最大速率可达系统时钟频率的十分之一；只需简单的上拉电阻连接，简单方便。

（3）与上位机通信模块

目前RS-232C是应用最多的一种串行通信标准，是微机的一种标准通信接口。本通信模块的传输距离相对较远，但速度要求较低，选用RS-232C接口与上位机进行数据交换简单易行。本发明涉及的磁航向系统中的通信模块选择SIPEX公司的SP3223智能收发器。该收发器仅需几个外接电容即可工作，连接简单，有掉电模式和自动唤醒功能，提供两组转换接口，保证最低120Kbps的最大传输速率。使用中电路去掉握手信号，使用一组转换接口，加上公共的地线，即使用最少的三根线完成串口通信。

5.虚拟仪表

本发明中的虚拟仪表是对磁航向系统进行开发、调试的工具。利用它可容易的实现软件开发，对系统数据进行分析、处理和显示，甚至控制系统进行误差补偿。

如图9所示，虚拟仪表模块的硬件主要是一台通用个人计算机(PC机)和一块接口电路板，接口电路板的一端与PC机的串行口相连，另一端与磁航向系统的调试接口连接，协调PC机与磁航向系统间的通讯。

本发明中的磁航向系统电路板设计包含有RS232接口，因此与PC机通过RS232接口直接相连，组成虚拟仪表的硬件。在初期开发调试磁航向系统的软件系统时，还需要相应的调试适配器。适配器通过专门的JTAG调试接口连接系统电路板，通过USB接口连接计算机。

本发明采通过单片机采样将磁通门信号直接转换为数字信号，并进行高精度AD的应用，为提高系统精度打下基础。利用单片机进行软件处理。数字处理不受温度影响，从而提高整个电路的温度性能，同时利用高速单片机可以进行复杂的算法处理，在简化系统电路的同时，提高系统的稳定性。

Claims (4)

1.一种基于数字磁通门的磁航向系统，该磁航向系统由供电电源模块、数字磁通门模块、磁航向解算模块、通信模块和虚拟仪表模块组成，其特征在于：

该供电电源模块为磁航向系统提供外部和内部电源；

该数字磁通门模块使用两个单片机处理磁通门传感器的三路输出信号，用于将磁通门信号直接转换为数字信号，完成包括模拟信号到数字信号转换、数字处理以及信号调理功能；

该磁航向解算电路模块使用另一个单片机进行航向解算；

该通信模块用于处理单片机与外设之间的通信、单片机之间的通信以及单片机与上位机之间的通信；

该虚拟仪表模块用于提供一种用户友好界面，可以在通用计算机上添加一些专用软件和必要的仪器硬件模块，使用户操作这台通用计算机就像操作一台自己专门设计的传统电子仪器一样。

2.如权利要求1的磁航向系统，其特征还在于：该数字磁通门模块由激励电源、信号调理、数字处理和信号输出及反馈四个部分组成。

3.如权利要求2所述的磁航向系统，其特征还在于：该磁航向解算电路包括外部辅助电路和信号调理电路；外部的辅助电路提供俯仰角和倾斜角信号，并进行信号调理；系统对俯仰角、倾斜角和磁通门传感器信号进行采样，获得姿态信号和地磁场分量，然后使用单片机对信号进行滤波处理、误差补偿，航向解算等数字处理，最终得到稳定的磁航向信号，并与上位机实时通信。

4.如权利要求3所述的磁航向系统，其特征还在于：该外部辅助电路模块还包括一个外部基准电路。

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