羅盤是自動控制、測試及測量領域中用來獲取方向信息的裝置。目前應用較廣泛的是磁阻式電子羅盤，這種電子羅盤具有較好的抗振性，對干擾有電子補償，因此測向精度較高。但現有電子羅盤電路結構復雜、體積較大，不便于攜帶和使用，難以集成到現有嵌入式設備中。

羅盤是自動控制、測試及測量領域中用來獲取方向信息的裝置。目前應用較廣泛的是磁阻式電子羅盤，這種電子羅盤具有較好的抗振性，對干擾有電子補償，因此測向精度較高。但現有電子羅盤電路結構復雜、體積較大，不便于攜帶和使用，難以集成到現有嵌入式設備中。針對這些問題，本文提出了以霍尼韋爾(HoneyWell)公司三軸磁阻傳感器HMC5883L為敏感元件，使用低功耗控制器AVR單片機為傳感器數據處理單元的小型低功耗電子羅盤。該羅盤支持串口輸出，可以方便集成到各種應用中。

電子羅盤測向原理

地球的磁感應強度為50～60μT，相當于沿著地球中心的一個磁棒，磁棒的兩極相對于地理的兩極有大約11.5°的夾角。無論何地，地球磁場的水平分量永遠指向磁北極，這一原理是所有羅盤的制作基礎。所有羅盤都是測量地球磁場的北方向，其他方向即可推算出來。地球磁場的北方向和實際的北方向有差別，而這種差別的大小在地球上的不同地點也是不同的，所以必須知道羅盤所在的大致位置，才能計算出如何補償地磁和真實北方向的差別，以顯示出真實的北方向。

磁北的方向就是地磁場在水平面上分量的方向。假設電子羅盤處于水平面上，要確定其相對于磁北的航向角α。由磁阻傳感器可以直接得出地磁場的水平分量Hx、Hy，因此相對于磁北的航向角為：

正切函數的周期為180°，為保證數據有效性，船體航向角α轉換到相對磁北0°～360°的范圍內。可將上式分解，得到相對于磁北極的360°范圍內(順時針方向)的航向角，加上當地的磁偏角就可以算出與真北的航向角。

由于地磁南北極與地理南北極存在磁偏角，要得到準確的南北極方向，必須用計算結果加上或減去所在地區磁偏角，得出前進方向與地理北極的夾角，即真北方位角A。當所在地區磁偏角φ已知時，真北方位角為：A=α+φ。

硬件設計

電子羅盤的硬件系統如圖21.1所示，主要由傳感器、控制器、電源及串口輸出4部分組成。控制器通過串口與PC通信，用于實現對電子羅盤的設置、校正以及測量數據輸出。

1. 控制器模塊

控制器采用ATmega16，這是一款基于增強的AVR RISC結構的高性能、低功耗8位MCU，工作電壓為2.7～5.5V，在1MHz時鐘下，工作電流為1.1mA。大多數指令可以單時鐘周期執行，具有統一的中斷管理，片上外圍模塊豐富，片內有16KB的Flash、1KB的RAM、512字節的EEPROM、8路的10位A/D轉換器以及一路USART通信端口等資源。在本設計中，控制器串口與PC連接，可以對電子羅盤進行配置及校正，也可以將最終計算得到的方向及角度通過串口輸出，供其他測量系統使用。控制器模塊在ATmega16的基礎上，做了最小系統的擴展，如圖21.2所示。按照模塊化設計思想，本文將最小系統制作成單獨模塊，其最終實物如圖21.3所示。

2. HMC5883L 模塊

HMC5883L是一種基于表面貼裝的高集成、自帶數字接口的弱磁傳感器，應用于低成本羅盤和磁場檢測領域。HMC5883L包括最先進的高分辨率HMC118X系列磁阻傳感器，并附帶霍尼韋爾專利的集成電路，包括放大器、自動消磁驅動器、偏差校準、能使羅盤精度控制在1°～2°的12位模數轉換器以及簡易的I2C總線接口。

HMC5883L采用霍尼韋爾各向異性磁阻(AMR)技術，具有軸向高靈敏度和線性高精度的特點，能用于測量地球磁場的方向和大小。

HMC5883L模塊的外圍電路非常簡單，本文采用的是成品模塊，如圖21.4所示。該模塊外接引腳包括VCC、GND、SCL、SDA、DRDY、3V3。其中VCC為5V輸入，模塊自帶降壓功能，可以輸出3.3V電壓供其他模塊使用。SCL與SDA為標準I2C接口，DRDY用于指示HMC5883L數據是否準備好，用于中斷方式讀取測量數據。

3. 串口模塊

與PC通信的串口模塊采用的是USB轉串口方式，同樣采用成品模塊，如圖21.5所示。該模塊使用PL2303HX芯片實現USB轉串口功能，具有電路簡單、傳輸速度快等特點。模塊引出的功能引腳包括TXD、RXD、GND、3V3、5V。其中5V為USB總線輸出電壓，本文將該電壓作為下位機的供電電壓。TXD與RXD為串口接口，與單片機直接連接，無需做電平轉換。模塊內部同時集成了降壓模塊，可以輸出3.3V電壓，但由于已經使用了HMC5883L模塊的降壓功能，本系統中該輸出引腳懸空。

4. 底板模塊

各模塊之間需要通過底板進行連接，其原理圖如圖21.6所示。其中與HMC5883L模塊的I2C接口使用的是ATmega16的硬件接口，因此需要連接PC0與PC1端口，DRDY則與PD7端口連接。串口模塊與單片機的硬件串口端口PD0、PD1連接，總體連接相對簡單。將各個模塊通過插座、插針以及連接線連接，設備最終的樣子如圖21.7所示。

軟件設計

電子羅盤的軟件分為兩部分：單片機上的軟件以及PC端的控制軟件。平時工作時，只需運行單片機上的程序，PC端軟件僅顯示當前數據。當需要配置或者校正時，要配合PC端軟件使用。

單片機的軟件流程如圖21.8所示。參數保存在單片機的EEPROM中，掉電后仍然可以保存。

PC機與單片機進行串口連接，平時工作時，單片機工作在正常模式，PC端軟件通過串口查詢當前方位角并顯示在界面上。當需要配置電子羅盤時，可以通過PC端軟件設置磁偏角，參數都會保存在單片機的EEPROM中，羅盤重啟后還按之前的設置參數運行。當需要對羅盤進行校正時，通過PC端軟件啟動校正流程。用戶需要在水平面上緩慢旋轉羅盤360°，然后通過PC端軟件告知羅盤結束校正，此時羅盤會自動計算出X、Y軸的偏移值并保存，同時PC端軟件上會顯示這些偏移值。

PC 端軟件采用 Visual C++ 2005 編寫，基于 MFC 框架開發，軟件流程如圖21.9所示。軟件框架采用的是查詢方式，由PC控制軟件作為主動方，發送串口命令到單片機，單片機則作為被動方，將結果返回給PC控制軟件。

通過界面上的按鈕，用戶可以設置電子羅盤、進行校正，并看到當前方位角的顯示，界面如圖21.10所示。使用時，先將單片機與PC串口連接，然后打開對應的串口號，此時即可以看到當前方位角顯示在偏角欄里。如果需要設置磁偏角，只需將數值寫入對話框，并單擊“設置”按鈕即可。校正功能相對比較復雜，在單擊“開始校正”后，需要手動旋轉電子羅盤360°，然后再單擊“結束校正”，最大、最小偏移值即會顯示在界面上。

羅盤誤差及補償

造成羅盤誤差的主要因素有傳感器誤差、其他磁材料干擾等。為了校準傳感器放大電路，HMC5883 內部集成了自測試電路，可以驅動偏置電流帶產生一定大小的測試磁場，以校準傳感器各軸靈敏度。自測試還可以校準溫度變化產生的漂移。當磁阻傳感器處于較強干擾磁場中時，傳感器靈敏度會下降甚至失效。為了消除這種影響，需要復位/置位電路施加脈沖寬度為2μs、電流強度為3～4A的電流，使傳感器特性恢復。在目前應用較為廣泛的HMC1022及HMC1022 模擬輸出磁阻傳感器中，復位/置位電路需要額外設計并由控制器控制，而HMC5883 芯片內部集成了生成復位/置位脈沖所需的驅動電路，且由片上ASIC 電路自動控制，在每次測量前自動進行復位/置位操作，不僅保證了傳感器精度，也使傳感器應用電路大為簡化。

除了傳感器本身的誤差，磁阻傳感器應用環境中的磁介質引起的磁場變化也會使電子羅盤精度降低。磁場干擾分硬磁干擾和軟干擾兩類。硬磁干擾是傳感器附近的永磁體或被磁化的金屬造成的，它對磁阻傳感器輸出的影響是固定的，使輸出曲線圖圓心偏移，如圖21.11(b)所示。而軟磁干擾則是地球磁場和傳感器附近磁性材料的相互作用造成的，其干擾具有方向性，如圖21.11(c)所示。

為了校正X、Y軸方向的硬磁干擾，需要在校準模式中繞Z軸緩緩旋轉羅盤一周，在旋轉過程中，羅盤不斷采集X、Y軸的磁場強度數據，最終找出數據的最大值Xmax、Ymax和最小值Xmin、Ymin。對于Z軸的校準，需要繞X軸或Y軸旋轉一周，找出Z軸數據的最大值Zmax、最小值Zmin。校準偏移量為：

將偏移量保存到控制器的EEPROM存儲器中，在以后的每次測量中，將每軸的磁場強度減去對應的偏移量，即可校準硬磁干擾。消除軟磁干擾的補償算法較為復雜，在低成本的控制器上不易實現且效果有限，因此在本設計中選用了優化磁阻傳感器安裝位置的方法，以降低其他磁性材料對地磁場的干擾，保證羅盤精度。

總結

本文依據磁羅盤測向原理，設計了具有傾斜補償功能的小體積、低功耗數字羅盤。該羅盤采用數字磁阻傳感器HMC5883L及超低功耗處理器ATmega16L，具有電路結構簡單、集成度高、抗干擾能力強等優點。實驗證明，經算法補償后，該電子羅盤精度可以達到±1°。由于硬件成本低、功耗小，它也適用于便攜導航、小型飛行器控制，以及用于其他需要測量傾角和方位角的場合。