意法半導(dǎo)體    涂仲軒(Travis Tu)  魏鳴(William Wei)

Abstract

As E-Compass is popular in smart phones, this article presents the sensor module LSM303DLH from STMicroelectronics which can achieve E-Compass function with high performance but low cost. The sensor module combines tri-axis accelerometer and tri-axis magnetometer in one package, user can get sensor data easily with I2C bus.  Besides the working principle and parameters of the module are introduced, the article also provides ST E-Compass solution based on the sensor module both from hardware side and software side.

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)檢測磁場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.      地磁場和航向角的背景知識(shí)

如圖1所示，地球的磁場象一個(gè)條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點(diǎn)處磁場和當(dāng)?shù)氐乃�平面垂直，在赤道磁場和�?dāng)?shù)氐乃�平面平行，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(gè)矢量，對于一個(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�平面平行的分量和一個(gè)與當(dāng)?shù)厮�平面垂直的分量。如果保持電子羅盤和當(dāng)?shù)氐乃�平面平行，那么羅盤中磁力計(jì)的三個(gè)軸就和這三個(gè)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(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。

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(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(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，那么磁場方向和電流的夾角θ也會(huì)發(fā)生變化，如圖5所示。對于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。

  
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(shí)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(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(shí)間工作也能保持初始磁化方向?qū)崿F(xiàn)精確測量，不會(huì)因?yàn)樾酒瑴囟茸兓�或�?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(dòng)檢測功能。當(dāng)控制寄存器A被置位時(shí)，芯片內(nèi)部的自測電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)約為地磁場大小的激勵(lì)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(shí)，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(gè)傳統(tǒng)的電子羅盤系統(tǒng)至少需要一個(gè)三軸的磁力計(jì)以測量磁場數(shù)據(jù)，一個(gè)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(shí)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(shí)，消耗電流典型值為0.83mA。在待機(jī)模式時(shí)，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(gè)普通的手機(jī)喇叭當(dāng)相距2厘米時(shí)仍會(huì)有大約4高斯的磁場，一個(gè)手機(jī)馬達(dá)在相距2厘米時(shí)會(huì)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