核心提示：意法半導(dǎo)體推出將三軸磁力計(jì)和三軸加速計(jì)集成在一個封裝里的二合一傳感器模塊LSM303DLH，方便用戶在短時間內(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。
電子羅盤是一種重要的導(dǎo)航工具，能實(shí)時提供移動物體的航向和姿態(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）在各個軟件平臺上也流行起來。
要實(shí)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(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)集成在一個封裝里的二合一傳感器模塊LSM303DLH，方便用戶在短時間內(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(diǎn)處磁場和當(dāng)?shù)氐乃矫娲怪�，在赤道磁場和�?dāng)?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(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. 地磁場分布圖。
地磁場是一個矢量，對于一個固定的地點(diǎn)來說，這個矢量可以被分解為兩個與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫械姆至亢鸵粋�與當(dāng)?shù)厮矫娲怪钡姆至�。如果保持電子羅盤和當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫�，那么羅盤中磁力計(jì)的三個軸就和這三個分量對應(yīng)起來，如圖2所示。
圖2. 地磁場矢量分解示意圖。
實(shí)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(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)的時候，航向角在0º- 360º之間變化。
 式1
2．ST集成磁力計(jì)和加速計(jì)的傳感器模塊LSM303DLH
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)的合金材料對外界的磁場很敏感，磁場的強(qiáng)弱變化會導(dǎo)致AMR自身電阻值發(fā)生變化。
在制造過程中，將一個強(qiáng)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(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)磁場在AMR材料上建立起來的主磁域和電流的方向有45º的夾角。
圖3 AMR材料示意圖
圖4 45º角排列的導(dǎo)線
當(dāng)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(guān)系，如圖6所示。
圖5. 磁場方向和電流方向的夾角。
圖6. θ-R特性曲線。
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(dāng)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(dāng)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(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?yàn)樾酒瑴囟茸兓騼?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(jì)和三軸加速計(jì)，采用數(shù)字接口。磁力計(jì)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(dá)到8 mGauss并且內(nèi)部采用12位ADC，以保證對磁場強(qiáng)度的精確測量。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具有自動檢測功能。當(dāng)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(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，加速計(jì)還集成了6軸方向檢測，兩路可編程中斷接口。
3. ST電子羅盤方案介紹
一個傳統(tǒng)的電子羅盤系統(tǒng)至少需要一個三軸的磁力計(jì)以測量磁場數(shù)據(jù)，一個三軸加速計(jì)以測量羅盤傾角，通過信號條理和數(shù)據(jù)采集部分將三維空間中的重力分布和磁場數(shù)據(jù)傳送給處理器。處理器通過磁場數(shù)據(jù)計(jì)算出方位角，通過重力數(shù)據(jù)進(jìn)行傾斜補(bǔ)償。這樣處理后輸出的方位角不受電子羅盤空間姿態(tài)的影響，如圖9所示。
圖9. 電子羅盤結(jié)構(gòu)示意圖。
LSM303DLH將上述的加速計(jì)、磁力計(jì)、A/D轉(zhuǎn)化器及信號條理電路集成在一起，仍然通過I2C總線和處理器通信。這樣只用一顆芯片就實(shí)現(xiàn)了6軸的數(shù)據(jù)檢測和輸出，降低了客戶的設(shè)計(jì)難度，減小了PCB板的占用面積，降低了器件成本。
LSM303DLH的典型應(yīng)用如圖10所示。它需要的周邊器件很少，連接也很簡單，磁力計(jì)和加速計(jì)各自有一條I2C總線和處理器通信。如果客戶的I/O接口電平為1.8V，Vdd_dig_M、Vdd_IO_A和Vdd_I2C_Bus均可接1.8V供電，Vdd使用2.5V以上供電即可；如果客戶接口電平為2.6V，除了Vdd_dig_M要求1.8V以外，其他皆可以用2.6V。在上文中提到，LSM303DLH需要置位/復(fù)位電路以維持AMR的主磁域。C1和C2為置位/復(fù)位電路的外部匹配電容，由于對置位脈沖和復(fù)位脈沖有一定的要求，建議用戶不要隨意修改C1和C2的大小。
對于便攜式設(shè)備而言，器件的功耗非常重要，直接影響其待機(jī)的時間。LSM303DLH可以分別對磁力計(jì)和加速計(jì)的供電模式進(jìn)行控制，使其進(jìn)入睡眠或低功耗模式。并且用戶可自行調(diào)整磁力計(jì)和加速計(jì)的數(shù)據(jù)更新頻率，以調(diào)整功耗水平。在磁力計(jì)數(shù)據(jù)更新頻率為7.5Hz、加速計(jì)數(shù)據(jù)更新頻率為50Hz時，消耗電流典型值為0.83mA。在待機(jī)模式時，消耗電流小于3uA。
圖10. LSM303DLH典型應(yīng)用電路圖。
4. 鐵磁場干擾及校準(zhǔn)
電子指南針主要是通過感知地球磁場的存在來計(jì)算磁北極的方向。然而由于地球磁場在一般情況下只有微弱的0.5高斯，而一個普通的手機(jī)喇叭當(dāng)相距2厘米時仍會有大約4高斯的磁場，一個手機(jī)馬達(dá)在相距2厘米時會有大約6高斯的磁場，這一特點(diǎn)使得針對電子設(shè)備表面地球磁場的測量很容易受到電子設(shè)備本身的干擾。
磁場干擾是指由于具有磁性物質(zhì)或者可以影響局部磁場強(qiáng)度的物質(zhì)存在，使得磁傳感器所放置位置上的地球磁場發(fā)生了偏差。如圖11所示，在磁傳感器的XYZ 坐標(biāo)系中，綠色的圓表示地球磁場矢量繞z軸圓周轉(zhuǎn)動過程中在XY平面內(nèi)的投影軌跡，再沒有外界任何磁場干擾的情況下，此軌跡將會是一個標(biāo)準(zhǔn)的以O(shè)(0,0)為中心的圓。當(dāng)存在外界磁場干擾的情況時，測量得到的磁場強(qiáng)度矢量α將為該點(diǎn)地球磁場β與干擾磁場γ的矢量和。記作：
圖11. 磁傳感器XY坐標(biāo)以及磁力線投影軌跡。
一般可以認(rèn)為，干擾磁場γ在該點(diǎn)可以視為一個恒定的矢量。有很多因素可以造成磁場的干擾，如擺放在電路板上的馬達(dá)和喇叭，還有含有鐵鎳鈷等金屬的材料如屏蔽罩，螺絲，電阻， LCD背板以及外殼等等。同樣根據(jù)安培定律有電流通過的導(dǎo)線也會產(chǎn)生磁場，如圖12。
圖12 電流對磁場產(chǎn)生的影響。
為了校準(zhǔn)這些來自電路板的磁場干擾，主要的工作就是通過計(jì)算將γ求出。
4.1 平面校準(zhǔn)方法
針對XY軸的校準(zhǔn)，將配備有磁傳感器的設(shè)備在XY平面內(nèi)自轉(zhuǎn)，如圖11，等價于將地球磁場矢量繞著過點(diǎn)O(γx,γy)垂直于XY平面的法線旋轉(zhuǎn)， 而紅色的圓為磁場矢量在旋轉(zhuǎn)過程中在XY平面內(nèi)投影的軌跡。這可以找到圓心的位置為((Xmax + Xmin)/2, (Ymax + Ymin)/2). 同樣將設(shè)備在XZ平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)可以得到地球磁場在XZ平面上的軌跡圓，這可以求出三維空間中的磁場干擾矢量γ(γx, γy, γz).
4.2 立體8字校準(zhǔn)方法
一般情況下，當(dāng)帶有傳感器的設(shè)備在空中各個方向旋轉(zhuǎn)時，測量值組成的空間幾何結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一個圓球，所有的采樣點(diǎn)都落在這個球的表面上，如圖13所示，這一點(diǎn)同兩維平面內(nèi)投影得到的圓類似。
圖13 地球磁場空間旋轉(zhuǎn)后在傳感器空間坐標(biāo)內(nèi)得到球體。
這種情況下，可以通過足夠的樣本點(diǎn)求出圓心O(γx, γy, γz), 即固定磁場干擾矢量的大小及方向。8字校準(zhǔn)法要求用戶使用需要校準(zhǔn)的設(shè)備在空中做8字晃動，原則上盡量多的讓設(shè)備法線方向指向空間的所有8個象限，如圖14所示。
圖14 設(shè)備的空中8字校準(zhǔn)示意圖。
4.2 十面校準(zhǔn)方法
同樣，通過以下10面校準(zhǔn)方法，也可以達(dá)到校準(zhǔn)的目的。
圖15 10面交準(zhǔn)法步驟。
如圖16所示，經(jīng)過10面校準(zhǔn)方法之后，同樣可以采樣到以上所述球體表面的部分軌跡，從而推導(dǎo)出球心的位置，即固定磁場干擾矢量的大小及方向。
圖16 10面校準(zhǔn)后的空間軌跡。
5．傾斜補(bǔ)償及航偏角計(jì)算
經(jīng)過校準(zhǔn)后電子指南針在水平面上已經(jīng)可以正常使用了。但是更多的時候手機(jī)并不是保持水平的，通常它和水平面都有一個夾角。這個夾角會影響航向角的精度，需要通過加速度傳感器進(jìn)行傾斜補(bǔ)償。
對于一個物體在空中的姿態(tài)，導(dǎo)航系統(tǒng)里早已有定義，如圖17所示，Android中也采用了這個定義。Pitch(Φ)定義為x軸和水平面的夾角，圖示方向?yàn)檎较颍籖oll(θ)定義為y軸和水平面的夾角，圖示方向?yàn)檎较颉Ｓ蒔itch角引起的航向角的誤差如圖18所示�？梢钥闯�，在x軸方向10度的傾斜角就可以引起航向角最大7-8度的誤差。
圖17 Pitch角和Roll角定義。
圖18 Pitch角引起的航向角誤差。
手機(jī)在空中的傾斜姿態(tài)如圖19所示，通過3軸加速度傳感器檢測出三個軸上重力加速度的分量，再通過式2可以計(jì)算出Pitch和Roll。
圖19 手機(jī)在空中的傾斜姿態(tài)。
 式2
式3可以將磁力計(jì)測得的三軸數(shù)據(jù)（XM，YM ，ZM）通過Pitch和Roll轉(zhuǎn)化為式1中計(jì)算航向角需要的Hy和Hx。之后再利用式1計(jì)算出航向角。
 式3
6．Android平臺指南針的實(shí)現(xiàn)
在當(dāng)前流行的android 手機(jī)中，很多都配備有指南針的功能。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，只需要配備有ST提供的二合一傳感模塊LSM303DLH，ST 提供整套解決方案。Android中的軟件實(shí)現(xiàn)可以由以下框圖表示：
其中包括:
• BSP Reference
• Linux Kernel Driver (LSM303DLH_ACC + LSM303DLH_MAG)
• HAL Library(Sensors_lsm303dlh + Liblsm303DLH) for sensors.default.so
經(jīng)過library 的計(jì)算，上層的應(yīng)用可以很輕松的運(yùn)用由Android定義由Library提供的航偏角信息進(jìn)行應(yīng)用程序的編寫。 |
