電子羅盤是一種重要的導航工具，能實時提供移動物體的航向和姿態(tài)。隨著半導體工藝的進步和手機操作系統(tǒng)的發(fā)展，集成了越來越多傳感器的智能手機變得功能強大，很多手機上都實現(xiàn)了電子羅盤的功能。而基于電子羅盤的應用（如Android的Skymap）在各個軟件平臺上也流行起來。
要實現(xiàn)電子羅盤功能，需要一個檢測磁場的三軸磁力傳感器和一個三軸加速度傳感器。隨著微機械工藝的成熟，意法半導體推出將三軸磁力計和三軸加速計集成在一個封裝里的二合一傳感器模塊LSM303DLH，方便用戶在短時間內(nèi)設計出成本低、性能高的電子羅盤。本文以LSM303DLH為例討論該器件的工作原理、技術參數(shù)和電子羅盤的實現(xiàn)方法。
1. 地磁場和航向角的背景知識
如圖1所示，地球的磁場象一個條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點處磁場和當?shù)氐乃矫娲怪保诔嗟来艌龊彤數(shù)氐乃矫嫫叫?，所以在北半球磁場方向傾斜指向地面。用來衡量磁感應強度大小的單位是Tesla或者Gauss（1Tesla=10000Gauss）。隨著地理位置的不同，通常地磁場的強度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北極和地理上的北極并不重合，通常他們之間有11度左右的夾角。
圖1 地磁場分布圖
地磁場是一個矢量，對于一個固定的地點來說，這個矢量可以被分解為兩個與當?shù)厮矫嫫叫械姆至亢鸵粋€與當?shù)厮矫娲怪钡姆至?。如果保?strong>電子羅盤和當?shù)氐乃矫嫫叫校敲戳_盤中磁力計的三個軸就和這三個分量對應起來，如圖2所示。
圖2 地磁場矢量分解示意圖
實際上對水平方向的兩個分量來說，他們的矢量和總是指向磁北的。羅盤中的航向角（Azimuth）就是當前方向和磁北的夾角。由于羅盤保持水平，只需要用磁力計水平方向兩軸（通常為X軸和Y軸）的檢測數(shù)據(jù)就可以用式1計算出航向角。當羅盤水平旋轉(zhuǎn)的時候，航向角在0º- 360º之間變化。
2．ST集成磁力計和加速計的傳感器模塊LSM303DLH 2.1 磁力計工作原理
在LSM303DLH中磁力計采用各向異性磁致電阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料來檢測空間中磁感應強度的大小。這種具有晶體結(jié)構(gòu)的合金材料對外界的磁場很敏感，磁場的強弱變化會導致AMR自身電阻值發(fā)生變化。
在制造過程中，將一個強磁場加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起一個主磁域，與主磁域垂直的軸被稱為該AMR的敏感軸，如圖3所示。為了使測量結(jié)果以線性的方式變化，AMR材料上的金屬導線呈45º角傾斜排列，電流從這些導線上流過，如圖4所示。由初始的強磁場在AMR材料上建立起來的主磁域和電流的方向有45º的夾角。
當有外界磁場Ha時，AMR上主磁域方向就會發(fā)生變化而不再是初始的方向了，那么磁場方向和電流的夾角θ也會發(fā)生變化，如圖5所示。對于AMR材料來說，θ角的變化會引起AMR自身阻值的變化，并且呈線性關系，如圖6所示。
ST利用惠斯通電橋檢測AMR阻值的變化，如圖7所示。R1/R2/R3/R4是初始狀態(tài)相同的AMR電阻，但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。當檢測到外界磁場的時候，R1/R2阻值增加?R而R3/R4減少?R。這樣在沒有外界磁場的情況下，電橋的輸出為零；而在有外界磁場時電橋的輸出為一個微小的電壓?V。
圖7 惠斯通電橋
當R1=R2=R3=R4=R，在外界磁場的作用下電阻變化為?R時，電橋輸出?V正比于?R。這就是磁力計的工作原理。
2.2 置位/復位(Set/Reset)電路
由于受到外界環(huán)境的影響，LSM303DLH中AMR上的主磁域方向不會永久保持不變。LSM303DLH內(nèi)置有置位/復位電路，通過內(nèi)部的金屬線圈周期性的產(chǎn)生電流脈沖，恢復初始的主磁域，如圖8所示。需要注意的是，置位脈沖和復位脈沖產(chǎn)生的效果是一樣的，只是方向不同而已。
圖8 LSM303DLH置位/復位電路
置位/復位電路給LSM303DLH帶來很多優(yōu)點：
1）即使遇到外界強磁場的干擾，在干擾消失后LSM303DLH也能恢復正常工作而不需要用戶再次進行校正。
2）即使長時間工作也能保持初始磁化方向?qū)崿F(xiàn)精確測量，不會因為芯片溫度變化或內(nèi)部噪音增大而影響測量精度。
3）消除由于溫漂引起的電橋偏差。
2.3 LSM303DLH的性能參數(shù)
LSM303DLH集成三軸磁力計和三軸加速計，采用數(shù)字接口。磁力計的測量范圍從1.3 Gauss到8.1 Gauss共分7檔，用戶可以自由選擇。并且在20 Gauss以內(nèi)的磁場環(huán)境下都能夠保持一致的測量效果和相同的敏感度。它的分辨率可以達到8 mGauss并且內(nèi)部采用12位ADC，以保證對磁場強度的精確測量。和采用霍爾效應原理的磁力計相比，LSM303DLH的功耗低，精度高，線性度好，并且不需要溫度補償。
LSM303DLH具有自動檢測功能。當控制寄存器A被置位時，芯片內(nèi)部的自測電路會產(chǎn)生一個約為地磁場大小的激勵信號并輸出。用戶可以通過輸出數(shù)據(jù)來判斷芯片是否正常工作。
作為高集成度的傳感器模組，除了磁力計以外LSM303DLH還集成一顆高性能的加速計。加速計同樣采用12位ADC，可以達到1mg的測量精度。加速計可運行于低功耗模式，并有睡眠/喚醒功能，可大大降低功耗。同時，加速計還集成了6軸方向檢測，兩路可編程中斷接口。
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