Honeywell AN219 User Manual

Honeywell

应用说明书-AN219
装有 SiRFstar2t GPS 芯片集的
数字式罗盘参考设计

简介

直到最近，将 GPS 芯片与磁传感器结合起来，形成数字罗盘指

向特性还是一个单纯的电路问题。今天引入 SiRFstar2t 数字处

理器集成电路(IC)后，就有可能进行进一步的电路集成。这一

应用说明书介绍了最新的霍尼韦尔磁传感器产品。这些产品结

合 SiRF 技术 SiRFstar2t 构架，创造出基于 GPS 的导航发动机。

当 GPS 系统的信号受到暂时阻碍时，仍能导航甚至定位。

应用

将 GPS 定位与导航结合在一起的两个普遍应用就是行人导航

系统与车辆远程通信系统。行人导航系统用在手持 GPS 接收器

和无线电话中，当 GPS 卫星接收中断时，完成区位服务（LBS）

和室内导航功能。 车辆远程通信系统利用车辆方向和位置信

息等定位信息来获取供方信息。一般来说，确定了目的地的行

车路线图包括诸如当前的天气、施工改道等最新 LBS 信息和到

达时间交通状况预测。

行人导航

行人导航电路主要适用于低压供电电池，体积小，便于安装在

手机。采用 SiRFstar2t 芯片后，线路板上的 14 位 ADC 通道为

磁传感器信号提供了便利的数字插入指向，以发挥其指向和定

位特性。图 1 为行人导航系统的基本方框图。

位于行人导航系统的中心是主微处理机。这一处理器收集 GPS

的经度和纬度，磁传感器矢量幅值，MEMS（微型机电系统）

加速度计矢量幅值和任何系统状态数据。GPS 接收器通常由天

线、射频（RF）前端电路和解调器部分组成，产生航途基准点

数据流和接收器接收状态。大多数接收器使用两个芯片来转换

自几十颗绕地球旋转的 GPS 卫星的 1227.6MHz 信号（L2 下行

线路）。

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三轴磁 MEMS
传感器 加速度计

图 1

行人导航系统

磁传感器的三条轴线将地球的外层磁场分成了 X、Y、

Z 三个矢量分量。这种磁场的三位表示法需要变为二

维，以形成航向罗盘方位（航向=arctan Y/X）。使用

从三轴 MEMS 加速度计输入的螺旋角和滚动角，倾

角补偿 X’,Y’的值可被转化成航向。磁传感器和

MEMS 加速度计的信号，要用特定用途集成电路

（ASICs）进行信号调节，然后再传送到主微处理机。

磁传感器 ASIC 输出通常是 X、Y、Z 磁性测量的模

拟表示，要求高分辨率数字化，以求获取精确航向输

出。为此，10-16 位模拟/数字转换器（ADC）电路或

被装在 GPS 解调器集成电路（IC）上或被装在主微

处理机上。这样，集成度高，而成本低。在这一特定

应用说明书中，SiRFstar2t 解调器集成电路（IC）为

外部传感器信号输入提供两个 14 位输入。在其它无

线电话芯片中，电话的 RF 解调器可以将 GPS 解调器

和传感器 ADC 输入结合起来。

行人导航的另一个方面是 MEMS 加速度计和加速度

计 ASIC 除了罗盘倾角补偿外，还起到另外一个作用，

即计算原始步数的计步器和计算诸如步进和步向的

应用计步器。

虽然计步对于用户健康是很方便的，但是室内导航依

靠的是利用统计学的知识在步速（或走，或跑，或爬

楼梯）的基础上预测步进。GPS 通过 GPS 航图基准

三轴

点对脚步的每一个变化进行积极的远程追踪，然后再进行步进

预测。步向是统计计步数据的一部分，必须要对其进行分类。

前步、后步、侧步以及楼梯步都可能需要用来追踪人每走一步

引起的位置的变化。

由于无线电话可以放在诸如上衣口袋里，腰带上或是放在手提

包里，所以当电话听筒相对于用户的位置发生改变的时候，必

须不断更新步向。每走一步或每跨一步，就会有一个相应的罗

盘针指向。这样一来，从最后一个 GPS 航图基准点中获取的距

离和指向信息，通过室内航位推测法来进行导航。图 2 是典型

的一个行人在室内走动，手机装在上衣口袋里。

前进方向

由于人体是运动的，
所以人每迈一步，并
不能马上显示其方向。

每往前走一步都
可以估测出相应的
跨距和方向（航向）。

室内
室外

最后一个室外 GPS 航图基准点

图 2

室内行人导航

从上面这幅图我们可以看出，每走一步都会引起方向和位置的

变化。简单的运算使用从近来在航图基准点间的户外走动得出

的固定的跨距，更为复杂的运算则跟踪每时每刻的跨步，并根

据慢走、快走和跑步的步速来调整跨距。

车辆远程通信

远程通信将无线通信与导航装置结合起来，为车上司机或乘客

提供关于车辆的位置和方向信息。虽然逐圈地图和导航是“杀手

级应用”，指示方向允许适当的地图定向和额外的出栈进栈数据

流。远程通信出栈数据是司机或乘客需要的前方信息。加油和

饭店位置、旅游景点和网络内容“数据挖掘”等都是数据出栈的

典型例子。

Honeywell

进栈数据是当方向和位置发生变化时，人们自主或不
自主地发送的以地点为基础的内容。当地公司购买液
晶显示屏（LCD）控制板上的空间，刊登区位广告就
是典型的进栈数据。了解到你的前进方向和喜欢的品
牌后，产品和服务提供商就会据此往你的 LCD 上上
传横幅广告。

这些广告为远程通信服务提供商提供资助，从而用户
就可以免费或低价享受车辆远程通信服务。根据从
CAN-bus 上获得的车辆油量指示表的读数，弹出式广
告会登出你最喜欢的燃料品牌服务站（比如 BP 加油
站），告诉你下一个站点的位置和距离并提供当前燃
料价格和待售产品。图 3 是一个典型的远程通信系统
流程图。

地图信息更新
到达时间
交通状况 位置
未来天气情况 (通过 GPS 的 Lat,Long)
产品或服务的数据挖掘
旅游景点
网络权限
区位广告

航向

(通过罗盘的方向) (平台:轿车,卡车等)

图 3

远程通信系统流程图

远程通信方框图与行人导航图几乎相同，唯一的区别
在于，远程通信方框图中加速度计可以去掉，换成一
个或几个车轮转速传感器，用来计算车轮转数，并根
据当前的位置，估测每转一圈的距离。一般来说，
GPS 安装在车上比安装在室内无线电话上效果要好。
但是，茂密的植物、密封的桥梁、隧道和城市环境（高
楼大厦）会阻碍 GPS 信号的接收。

电路设计

谈到电路的细节问题，建议使用 HMC6042 双轴传感
器和 ASIC，以实现远程通信应用中最佳集成。图 4
是基本电路示意图，图中 SiRF GSP2t 跟踪器引擎 IC，
一端与 GRF2i 射频前端 IC 相连，一端与主机(主处
理器)相连。备用 GSP2t ADC 插脚（ADC2 和 ADC3）
与 HMC6042 X 和 Y 轴输出端插脚相连。除了集成电
路封装件以外，还需要两个 2.2 和 0.22 微法拉的低
ESR 陶瓷电容器，以产生置位脉冲和复位脉冲，来带
动传感器上的置位或重置带，进行定期消磁和偏置补
偿。

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Honeywell

置位/重置

陶瓷

霍尼韦尔 HMC6042双轴磁传感器 IC是一种包括两块硅基片的

集成电路芯片，用来传感和调节信号。HMC6042 IC 包括

HMC1042 双轴传感器芯片和 ASIC 芯片，还有一对线性低磁场

磁传感器，当线性电压输出放大时，可以适应高达±6 高斯的磁

场。在部分饱和前，传感器能适应高达±20 高斯的外部磁场。

由于地球的天然磁场大约为±0.6 高斯，超过 20 高斯的磁场一

般都接近已被磁化的手持工具（螺丝刀，钳子等）、扬声器磁

体、电视机或视频监视器、测试设备电源变压器，或是焊接设

备或供电线路上的强电流电线。

如果传感器和整个电路组件暴露于这些高磁场中，在大多数情

况下，传感器的置位和重置脉冲将恢复磁传感器功能，罗盘针

将返回出厂设置。在极高的磁场中暴露时，电子部件的镍板上

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V

V

图 4

示意图

会产生磁性，从而导致罗盘针指向失灵。因为部件释

放的磁通量，使外部地球表面磁场增大。使用商业消

磁棒（磁带消磁器）可以消除部件的剩磁。

在 HMR6042 磁传感器 IC 中，用来进行信号调节的

ASIC 接收来自传感器的毫伏输出信号，再将这些信

号放大约 225 倍，再将这些信号集中在 0 高斯半供电

水平（比如：3.3V 供电电压的 1.65V 供电电压）。

这个过程涉及到三个放大部分，其中为外部 Z 轴磁传

感器与第三输入信号相连。

HMR5003 ASIC 在每置位或重置带 400 mA 或更高的

电流下，需要产生 1-2 微秒长的置位和重置脉冲。由

于大多数应用中使用的电流限制供电电池，这些脉冲

由为 2.2 微法拉 C1 电容器充电的细流产生。电容器

用作 H-bridge MOSFET 带驱动支路的低能贮存器，

Honeywell

为传感器置位/重置带提供电压。0.22 微法拉的电容器 C2 把脉
冲时间固定在 1 微秒左右，从而阻止直流电通过驱动器输出节
点进入带。在三轴应用中，置位/重置带连接使 Z 轴磁传感器的
置位/重置带平行于内部带。增加外部带时，电容器 C1 和 C2
的值要增加一倍（4.7uF 和 0.47uF）。

HMC6042 有两个正供电电压插脚（VDD1 和 VDD2），用 来 分
开传感器和放大器（VDD1）的电源与置位/重置带驱动器的电
源（VDD2）。通常情况下，置位与复位带驱动器可以永久地
连接到供电电池。这是因为脉冲施加后，驱动器几乎不用电。
置位/重置逻辑输入插脚（S/R IN）形成高压重置脉冲，用于低
压逻辑转换，然后再形成低压重置脉冲，用于高压逻辑返回。
这些逻辑变化之间一般间隔几毫秒。一般说来，当传感器桥的
每次脉冲偏置电压测定完成至少 500 毫秒后，ADC 才开始测
量。见 AN212 和 AN213 应用说明书，关于偏置和置位/重置带
功能部分。

为了节省电池能量，VDD1 连接可以在磁传感器测量周期断电，
以减少几毫安的供电。这种做法可使手机节省大量能量，但在
远程通信应用中并不一定具有优势。

置位/重置

置位/重置

陶瓷

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无线手机电路

对于无线手机和个人 GPS 接收器，SiRF GSP2t 和霍
尼韦尔 HMC6042 IC 的结合也可以发挥室内或行人
导航功能。然而手机可以任意改变位置，所以就要求
罗盘设计中使用三轴磁传感器和至少双轴 MEMS 加
速度计。为此，霍尼韦尔 HMC6042 IC 磁传感器中增
加了 HMC1041Z z 轴磁传感器成为第三轴。图 5 为手
机导航系统的完整系统示意图。

由于 SiRF GPS2t 跟踪引擎只有两个模/数转换器输入
端口，所以用一个外部微型模拟开关 IC 来完成

HMC6042 传感器 IC Y-Z 输入轴的多路传输。选用
SSOP-8 组件中日本东芝公司的 TC7W66FK 双模拟开

关，成本低，体积小，功能多。虽然图 5 中没有表示
出，但是诸如 MEMSIC MXD6020G 的 MEMS 加速
度计可以通过加速度计的两个脉宽调制(PWN)输出
插脚与主处理器（主机）相连。这些 PWM 输出插脚
通常输出运转频率为 100Hz，平均输出为工作循环的

V

V

V

V

图 5

示意图

Honeywell

50%（手机呈水平状态）。当螺旋角和滚动角在±90°之间旋转

时，其输出为工作循环的 30%-70%。如果手机需要朝向正前方，

那么就需要三轴加速计。这样就能根据手机是出于水平还是垂

直位置来自动选择 XY 或 YZ 正向。

用加速度计进行脚步或步数测量并不是微不足道的，通过加速

度计中的专用电路或主处理器(主机)中的数字运算法则即可完

成，进而辨别加速度的突然变化，同时记下罗盘针倾角补偿的

螺旋角和滚动角的精确数值。霍尼韦尔拥有基于处理器的步进

或跨距测量的运算法则。可就生产许可问题进行接触。

系统和固件设计

正如前面几部分所述，室内导航的航位推测法是数字式罗盘、

GPS 和计步功能的复杂融合。定位误差的主要根源是罗盘航向

（误差的 75%）和跨距估计（误差的 25%）。所以对消费者电

子设备的合理定位，从最后一次 GPS 航图基准点出发的距离误

差为 5%是正常的。

为了提高定位的准确性，罗盘系统精确度在正常使用和适度倾

斜状态下应该接近 1°。由于罗盘误差累积很大程度上取决于螺

旋角和滚动角的精确度，所以所选择的 MEMS 加速度计必须有

足够的倾斜精确度，尽可能不要超出 1°的定位误差范围。在北

美地区，螺旋角误差或滚动角误差不足 0.25°，造成的罗盘指向

误差可能达到±0.5°。有竞争力的航位推测系统设计者为节省成

本，使用压电加速度计和廉价的磁传感器元件，从而导致罗盘

针精确度不到 2°，进而使室内导航系统不能发挥其应有的作

用。当处在密集的建筑物中，没有机会获得 GPS 航图基准点的

更新信息时，更是如此。

数字式罗盘固件并不是新手设计者由于设计时间短而进行的

尝试。在大多数情况下，需要花费几百到一千个小时完成固件

的开发和测试后，才能成功完成一个罗盘路径的设计。然后再

花差不多同样多的时间完成航位推测数据融合、GPS 和航位推

测定位的卡尔曼过滤以及计步数据库路径设计。图 6 为罗盘固

件的流程图表。

罗盘固件过程始于磁传感器数据获取的主要路径、数据修正和
方位估算。为提供最高的罗盘精确度，磁传感器的每条数据轴

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初始化 求解 3D 加速度计

方程 倾斜数据

取得磁性 计算

数据 航向

双向数据 偏离角 GPS导出的

偏置 纠正 Lat,Long

桥偏置 置位/重置 偏离角 世界磁模

补偿 程序 纠正 型程序

航向

硬铁 校准 定位推算

补偿 程序 程序 位置

图 6

罗盘固件的流程图表

必须被迅速数据化。这既是为了节约电源，也是为了

避免行人在相邻时刻相邻方位的感应（快镜头）。同

时，为了快镜头的原因，也要求获得最佳螺旋角和滚

动角。

由于磁场测量在数值上是双向的，每根磁传感器轴

ADC 的值必须减去其 0 高斯 ADC 值。这样一来，负

值就可以用 2 的补码形式来表示。一般情况下，0 高

斯 ADC 值补偿大约是 ADC 范围的一半或是供电电

压一半的位置。

每根磁传感器轴的第二个偏置是桥偏置电压。虽然每

个传感器桥的偏置电压是恒定的，但是其值也随温度

而发生明显的变化。所以必须定期进行桥偏置计算，

ADC 中的桥必须从磁传感器数据中扣除。这一桥偏

置电压测量在应用说明 AN212 中有详细说明，但是

通常需要在脉冲重置和置位后进行测量。当计算测量

结果总和时，使地球磁场归零，只留下桥偏置。

最后一条磁传感器偏置路径是为了硬铁校准。虽然大

多数手机都不需要出厂值以外的校准，把远程通信接

收器装在仪表盘上或者把手机放到车辆的支架上，车

辆的底盘和发动机产生 1 高斯或 2 高斯的磁场，进而

与地球磁场相结合，使罗盘航向产生弯曲。要消除附

近从地球远磁场的硬铁辐射，通过设计固件路径，可

以校正每根传感器量测轴上的硬铁偏置。

对于双轴远程通信应用，硬铁校准路径会促使司机以环形方式

驾驶，以获取每根轴的最大值和最小值。一个循环结束后，计

算每根轴的平均值并用作偏置，并把后来的数据集中在 0 高斯

点周围。在手机三轴应用中，也需要用同样的环形翻转，再加

上倒转位置，从而得出 Z 轴的平均值。

当磁传感器的三条轴都完成了这三种偏置后，把新校正过的磁

场值与螺旋角和滚动角插入到方位计算路径中。对于双轴设

计，方程式为反正切函数（Y/X），浮点处理器可直接计算反

正切函数的商。对于没有浮点发动机的微控制器来说，反正切

一定是控制器上的存储映像。

幸运的是反正切存储映像只需要映射 90°，因为函数在 360°中

重复 90°象限。记下 XY 的磁数据符号，90°映像可校正为正确

的象限。为了按大小排列存储映像，分辨率会把反正切函数推

入映像象限。对于分辨率为 1°的罗盘，大约有 90 个存储器方

位有反正切值，以与（Y/X）的商相符。所以要达到 0.1°的分

辨率，就需要 900 个存储器方位。要达到 0.5°方位分辨率，就

需要大约 180 个存储器方位。一般情况下，室内航向方位分辨

率为 0.1°，用 1°精度的罗盘。

对于三轴应用，要解两个扁率方程，把 XYZ 磁场值以及螺旋

角和滚动角转化成倾角偏置 X’ Y’，然后再进行最后的反正切

运算。方程式如下：

加速度计提供的螺旋角和滚动角为数字余弦 Φ 和余弦 θ 形式，

所以不再需要用三角函数存储映像。正弦值是 1 减去余弦值，

即可得到扁率方程(3D 到 2D)的所有数值。

到现在还没提到的就是加速度计校准问题，以得出准确的螺旋

角和滚动角。校准加速度计通常是生产厂家的工作，加速度计

角线性良好是很重要的。终端用户把手机或车辆放到已知的水

平面上，就可将螺旋角和滚动角归零，但是在加速度计中必须

要有非线性校正值。

Honeywell

如果加速度计未提供倾角校准，必须要在工厂条件下

进行一系列自动化倾角测试，用受激条件下测得的螺

旋角和滚动角来代替给线性校正值。当罗盘精确度为

1°，而要求螺旋角和滚动角精确度为 0.5°时，这种方

法就极其重要了。

结束语：

磁传感器和 GPS 系统相结合，很好的完成了从简单

到复杂的导航任务。GPS 接收器本身可以获取处于运

动状态的平台的方位信息。但是当运动减慢（就象交

通一样），通过航图基准点来推测方位就很不准确了。

当处于某一固定位置的人旋转身体时，手机中就必须

要有罗盘航行系统。

为了更好的描述不同级别的磁传感器和 GPS 的效用，

图 7 介绍了磁传感器三种等级的精确度。低档磁场传

感器可以被称为方位传感器，可用于基础地图导航和

4-8 个基础方位导航（东、西、南、北）。高精度磁

场传感器，可用于 LBS 定位和远程通信以及 16 个方

位导航，精确度高于±2°，需要进行航位推测、空中

和海上导航应用。虽然以前购买高精度导航系统要花

费几百美元，但是这一技术说明中的集成电路每个只

需几美元。

磁传感器精确度 GPS 和磁传感器应用

低档

（﹥±5°） 方位感应（不是罗盘）、正确

中档

（±2°-±5°） 基本的位置的服务和远程通

高精度（﹤±2°） 诸如航位推测法，轮船和飞机

如果还有其它问题，请拨打应用支持电话：
800-323-8295 （美国免费）或 763-954-2474
也可访问我们的网站：www.magneticsensor.com

读数说明的地图导航。

信的主要方位导航（东、西、
南、北）。

导航等导航级应用。

图7

精度等级

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