基于集成傳感器的模擬電子羅盤功能設(shè)計(jì)

電子羅盤是一種重要的導(dǎo)航工具，能實(shí)時(shí)提供移動(dòng)物體的航向和姿態(tài)。隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步和手機(jī)操作系統(tǒng)的發(fā)展，集成了越來越多傳感器的智能手機(jī)變得功能強(qiáng)大，很多手機(jī)上都實(shí)現(xiàn)了電子羅盤的功能。而基于電子羅盤的應(yīng)用（如Android的Skymap）在各個(gè)軟件平臺(tái)上也流行起來。

　　要實(shí)現(xiàn)電子羅盤功能，需要一個(gè)檢測(cè)磁場(chǎng)的三軸磁力傳感器和一個(gè)三軸加速度傳感器。隨著微機(jī)械工藝的成熟，意法半導(dǎo)體推出將三軸磁力計(jì)和三軸加速計(jì)集成在一個(gè)封裝里的二合一傳感器模塊LSM303DLH，方便用戶在短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)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(shù)參數(shù)和電子羅盤的實(shí)現(xiàn)方法。

　　1. 地磁場(chǎng)和航向角的背景知識(shí)
 

　　如圖1所示，地球的磁場(chǎng)象一個(gè)條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點(diǎn)處磁場(chǎng)和當(dāng)?shù)氐乃矫娲怪保诔嗟来艌?chǎng)和當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫?，所以在北半球磁?chǎng)方向傾斜指向地面。用來衡量磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)的強(qiáng)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(chǎng)分布圖

　　地磁場(chǎng)是一個(gè)矢量，對(duì)于一個(gè)固定的地點(diǎn)來說，這個(gè)矢量可以被分解為兩個(gè)與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫械姆至亢鸵粋€(gè)與當(dāng)?shù)厮矫娲怪钡姆至?。如果保?strong>電子羅盤和當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫校敲戳_盤中磁力計(jì)的三個(gè)軸就和這三個(gè)分量對(duì)應(yīng)起來，如圖2所示。

圖2 地磁場(chǎng)矢量分解示意圖

　　實(shí)際上對(duì)水平方向的兩個(gè)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(dāng)前方向和磁北的夾角。由于羅盤保持水平，只需要用磁力計(jì)水平方向兩軸（通常為X軸和Y軸）的檢測(cè)數(shù)據(jù)就可以用式1計(jì)算出航向角。當(dāng)羅盤水平旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，航向角在0º- 360º之間變化。

　　2．ST集成磁力計(jì)和加速計(jì)的傳感器模塊LSM303DLH [!--empirenews.page--]2.1  磁力計(jì)工作原理

　　在LSM303DLH中磁力計(jì)采用各向異性磁致電阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料來檢測(cè)空間中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。這種具有晶體結(jié)構(gòu)的合金材料對(duì)外界的磁場(chǎng)很敏感，磁場(chǎng)的強(qiáng)弱變化會(huì)導(dǎo)致AMR自身電阻值發(fā)生變化。

　　在制造過程中，將一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起一個(gè)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(cè)量結(jié)果以線性的方式變化，AMR材料上的金屬導(dǎo)線呈45º角傾斜排列，電流從這些導(dǎo)線上流過，如圖4所示。由初始的強(qiáng)磁場(chǎng)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(dāng)有外界磁場(chǎng)Ha時(shí)，AMR上主磁域方向就會(huì)發(fā)生變化而不再是初始的方向了，那么磁場(chǎng)方向和電流的夾角θ也會(huì)發(fā)生變化，如圖5所示。對(duì)于AMR材料來說，θ角的變化會(huì)引起AMR自身阻值的變化，并且呈線性關(guān)系，如圖6所示。

　　ST利用惠斯通電橋檢測(cè)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(dāng)檢測(cè)到外界磁場(chǎng)的時(shí)候，R1/R2阻值增加?R而R3/R4減少?R。這樣在沒有外界磁場(chǎng)的情況下，電橋的輸出為零；而在有外界磁場(chǎng)時(shí)電橋的輸出為一個(gè)微小的電壓?V。

圖7 惠斯通電橋

　　當(dāng)R1=R2=R3=R4=R，在外界磁場(chǎng)的作用下電阻變化為?R時(shí)，電橋輸出?V正比于?R。這就是磁力計(jì)的工作原理。

　　2.2  置位/復(fù)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(huì)永久保持不變。LSM303DLH內(nèi)置有置位/復(fù)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(fù)初始的主磁域，如圖8所示。需要注意的是，置位脈沖和復(fù)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(fù)位電路

　　置位/復(fù)位電路給LSM303DLH帶來很多優(yōu)點(diǎn)：

　　1）即使遇到外界強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，在干擾消失后LSM303DLH也能恢復(fù)正常工作而不需要用戶再次進(jìn)行校正。

　　2）即使長(zhǎng)時(shí)間工作也能保持初始磁化方向?qū)崿F(xiàn)精確測(cè)量，不會(huì)因?yàn)樾酒瑴囟茸兓騼?nèi)部噪音增大而影響測(cè)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(jì)和三軸加速計(jì)，采用數(shù)字接口。磁力計(jì)的測(cè)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(chǎng)環(huán)境下都能夠保持一致的測(cè)量效果和相同的敏感度。它的分辨率可以達(dá)到8 mGauss并且內(nèi)部采用12位ADC，以保證對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的精確測(cè)量。和采用霍爾效應(yīng)原理的磁力計(jì)相比，LSM303DLH的功耗低，精度高，線性度好，并且不需要溫度補(bǔ)償。

　　LSM303DLH具有自動(dòng)檢測(cè)功能。當(dāng)控制寄存器A被置位時(shí)，芯片內(nèi)部的自測(cè)電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)約為地磁場(chǎng)大小的激勵(lì)信號(hào)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(jì)以外LSM303DLH還集成一顆高性能的加速計(jì)。加速計(jì)同樣采用12位ADC，可以達(dá)到1mg的測(cè)量精度。加速計(jì)可運(yùn)行于低功耗模式，并有睡眠/喚醒功能，可大大降低功耗。同時(shí)，加速計(jì)還集成了6軸方向檢測(cè)，兩路可編程中斷接口。