ST集成传感器方案实现电子罗盘功能

2011-04-08 09:48:24来源: 互联网 关键字:集成  方案  功能

     电子罗盘是一种重要的导航工具,能实时提供移动物体的航向和姿态。随着半导体工艺的进步和手机操作系统的发展,集成了越来越多传感器的智能手机变得功能强大,很多手机上都实现了电子罗盘的功能。而基于电子罗盘的应用(如Android的Skymap)在各个软件平台上也流行起来。

要实现电子罗盘功能,需要一个检测磁场的三轴磁力传感器和一个三轴加速度传感器。随着微机械工艺的成熟,意法半导体推出将三轴磁力计和三轴加速计集成在一个封装里的二合一传感器模块LSM303DLH,方便用户在短时间内设计出成本低、性能高的电子罗盘。本文以LSM303DLH为例讨论该器件的工作原理、技术参数和电子罗盘的实现方法。

1.    地磁场和航向角的背景知识

如图1所示,地球的磁场象一个条形磁体一样由磁南极指向磁北极。在磁极点处磁场和当地的水平面垂直,在赤道磁场和当地的水平面平行,所以在北半球磁场方向倾斜指向地面。用来衡量磁感应强度大小的单位是Tesla或者Gauss(1Tesla=10000Gauss)。随着地理位置的不同,通常地磁场的强度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是,磁北极和地理上的北极并不重合,通常他们之间有11度左右的夹角。
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2.ST集成磁力计和加速计的传感器模块LSM303DLH 
2.1  磁力计工作原理

在LSM303DLH中磁力计采用各向异性磁致电阻(Anisotropic Magneto-Resistance)材料来检测空间中磁感应强度的大小。这种具有晶体结构的合金材料对外界的磁场很敏感,磁场的强弱变化会导致AMR自身电阻值发生变化。

在制造过程中,将一个强磁场加在AMR上使其在某一方向上磁化,建立起一个主磁域,与主磁域垂直的轴被称为该AMR的敏感轴,如图3所示。为了使测量结果以线性的方式变化,AMR材料上的金属导线呈45º角倾斜排列,电流从这些导线上流过,如图4所示。由初始的强磁场在AMR材料上建立起来的主磁域和电流的方向有45º的夹角。
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当有外界磁场Ha时,AMR上主磁域方向就会发生变化而不再是初始的方向了,那么磁场方向和电流的夹角θ也会发生变化,如图5所示。对于AMR材料来说,θ角的变化会引起AMR自身阻值的变化,并且呈线性关系,如图6所示。

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ST利用惠斯通电桥检测AMR阻值的变化,如图7所示。R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻,但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。当检测到外界磁场的时候,R1/R2阻值增加∆R而R3/R4减少∆R。这样在没有外界磁场的情况下,电桥的输出为零;而在有外界磁场时电桥的输出为一个微小的电压∆V。

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当R1=R2=R3=R4=R,在外界磁场的作用下电阻变化为∆R时,电桥输出∆V正比于∆R。这就是磁力计的工作原理。

2.2  置位/复位(Set/Reset)电路

由于受到外界环境的影响,LSM303DLH中AMR上的主磁域方向不会永久保持不变。LSM303DLH内置有置位/复位电路,通过内部的金属线圈周期性的产生电流脉冲,恢复初始的主磁域,如图8所示。需要注意的是,置位脉冲和复位脉冲产生的效果是一样的,只是方向不同而已。
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以内的磁场环境下都能够保持一致的测量效果和相同的敏感度。它的分辨率可以达到8 mGauss并且内部采用12位ADC,以保证对磁场强度的精确测量。和采用霍尔效应原理的磁力计相比,LSM303DLH的功耗低,精度高,线性度好,并且不需要温度补偿。

LSM303DLH具有自动检测功能。当控制寄存器A被置位时,芯片内部的自测电路会产生一个约为地磁场大小的激励信号并输出。用户可以通过输出数据来判断芯片是否正常工作。

作为高集成度的传感器模组,除了磁力计以外LSM303DLH还集成一颗高性能的加速计。加速计同样采用12位ADC,可以达到1mg的测量精度。加速计可运行于低功耗模式,并有睡眠/唤醒功能,可大大降低功耗。同时,加速计还集成了6轴方向检测,两路可编程中断接口。

3.   ST电子罗盘方案介绍

一个传统的电子罗盘系统至少需要一个三轴的磁力计以测量磁场数据,一个三轴加速计以测量罗盘倾角,通过信号条理和数据采集部分将三维空间中的重力分布和磁场数据传送给处理器。处理器通过磁场数据计算出方位角,通过重力数据进行倾斜补偿。这样处理后输出的方位角不受电子罗盘空间姿态的影响,如图9所示。
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8字校准法要求用户使用需要校准的设备在空中做8字晃动,原则上尽量多的让设备法线方向指向空间的所有8个象限,如图14所示。

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4.2  十面校准方法
同样,通过以下10面校准方法,也可以达到校准的目的。
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如图16所示,经过10面校准方法之后,同样可以采样到以上所述球体表面的部分轨迹,从而推导出球心的位置,即固定磁场干扰矢量的大小及方向。

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6.Android平台指南针的实现

在当前流行的android 手机中,很多都配备有指南针的功能。为了实现这一功能,只需要配备有ST提供的二合一传感模块LSM303DLH,ST 提供整套解决方案。Android中的软件实现可以由以下框图表示:
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其中包括:
•    BSP Reference
•    Linux Kernel Driver (LSM303DLH_ACC + LSM303DLH_MAG)
•    HAL Library(Sensors_lsm303dlh + Liblsm303DLH) for sensors.default.so
经过library 的计算,上层的应用可以很轻松的运用由Android定义由Library提供的航偏角信息进行应用程序的编写。

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编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0408/article_5352.html
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