核心提示：意法半導體推出將三軸磁力計和三軸加速計集成在一個(gè)封裝里的二合一傳感器模塊LSM303DLH，方便用戶(hù)在短時(shí)間內設計出成本低、性能高的電子羅盤(pán)。本文以L(fǎng)SM303DLH為例討論該器件的工作原理、技術(shù)參數和電子羅盤(pán)的實(shí)現方法。

電子羅盤(pán)是一種重要的導航工具，能實(shí)時(shí)提供移動(dòng)物體的航向和姿態(tài)。隨著(zhù)半導體工藝的進(jìn)步和手機操作系統的發(fā)展，集成了越來(lái)越多傳感器的智能手機變得功能強大，很多手機上都實(shí)現了電子羅盤(pán)的功能。而基于電子羅盤(pán)的應用（如Android的Skymap）在各個(gè)軟件平臺上也流行起來(lái)。

要實(shí)現電子羅盤(pán)功能，需要一個(gè)檢測磁場(chǎng)的三軸磁力傳感器和一個(gè)三軸加速度傳感器。隨著(zhù)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(gè)封裝里的二合一傳感器模塊LSM303DLH，方便用戶(hù)在短時(shí)間內設計出成本低、性能高的電子羅盤(pán)。本文以L(fǎng)SM303DLH為例討論該器件的工作原理、技術(shù)參數和電子羅盤(pán)的實(shí)現方法。

1. 地磁場(chǎng)和航向角的背景知識

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)和當地的水平面垂直，在赤道磁場(chǎng)和當地的水平面平行，所以在北半球磁場(chǎng)方向傾斜指向地面。用來(lái)衡量磁感應強度大小的單位是Tesla或者Gauss（1Tesla=10000Gauss）。隨著(zhù)地理位置的不同，通常地磁場(chǎng)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(chǎng)分布圖。

地磁場(chǎng)是一個(gè)矢量，對于一個(gè)固定的地點(diǎn)來(lái)說(shuō)，這個(gè)矢量可以被分解為兩個(gè)與當地水平面平行的分量和一個(gè)與當地水平面垂直的分量。如果保持電子羅盤(pán)和當地的水平面平行，那么羅盤(pán)中磁力計的三個(gè)軸就和這三個(gè)分量對應起來(lái)，如圖2所示。

圖2.  地磁場(chǎng)矢量分解示意圖。

實(shí)際上對水平方向的兩個(gè)分量來(lái)說(shuō)，他們的矢量和總是指向磁北的。羅盤(pán)中的航向角（Azimuth）就是當前方向和磁北的夾角。由于羅盤(pán)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）的檢測數據就可以用式1計算出航向角。當羅盤(pán)水平旋轉的時(shí)候，航向角在0º- 360º之間變化。

                                      式1

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(lái)檢測空間中磁感應強度的大小。這種具有晶體結構的合金材料對外界的磁場(chǎng)很敏感，磁場(chǎng)的強弱變化會(huì )導致AMR自身電阻值發(fā)生變化。

在制造過(guò)程中，將一個(gè)強磁場(chǎng)加在A(yíng)MR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(chēng)為該AMR的敏感軸，如圖3所示。為了使測量結果以線(xiàn)性的方式變化，AMR材料上的金屬導線(xiàn)呈45º角傾斜排列，電流從這些導線(xiàn)上流過(guò)，如圖4所示。由初始的強磁場(chǎng)在A(yíng)MR材料上建立起來(lái)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角排列的導線(xiàn)

當有外界磁場(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。對于A(yíng)MR材料來(lái)說(shuō)，θ角的變化會(huì )引起AMR自身阻值的變化，并且呈線(xiàn)性關(guān)系，如圖6所示。

圖5.   磁場(chǎng)方向和電流方向的夾角。                                                             

圖6.   θ-R特性曲線(xiàn)。

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(chǎng)的時(shí)候，R1/R2阻值增加∆R而R3/R4減少∆R。這樣在沒(méi)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(huì )永久保持不變。LSM303DLH內置有置位/復位電路，通過(guò)內部的金屬線(xiàn)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(lái)很多優(yōu)點(diǎn)：

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

2） 即使長(cháng)時(shí)間工作也能保持初始磁化方向實(shí)現精確測量，不會(huì )因為芯片溫度變化或內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

LSM303DLH集成三軸磁力計和三軸加速計，采用數字接口。磁力計的測量范圍從1.3 Gauss到8.1 Gauss共分7檔，用戶(hù)可以自由選擇。并且在20 Gauss以?xún)鹊拇艌?chǎng)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并且內部采用12位ADC，以保證對磁場(chǎng)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(xiàn)性度好，并且不需要溫度補償。

LSM303DLH具有自動(dòng)檢測功能。當控制寄存器A被置位時(shí)，芯片內部的自測電路會(huì )產(chǎn)生一個(gè)約為地磁場(chǎng)大小的激勵信號并輸出。用戶(hù)可以通過(guò)輸出數據來(lái)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(shí)，加速計還集成了6軸方向檢測，兩路可編程中斷接口。

3.   ST電子羅盤(pán)方案介紹

一個(gè)傳統的電子羅盤(pán)系統至少需要一個(gè)三軸的磁力計以測量磁場(chǎng)數據，一個(gè)三軸加速計以測量羅盤(pán)傾角，通過(guò)信號條理和數據采集部分將三維空間中的重力分布和磁場(chǎng)數據傳送給處理器。處理器通過(guò)磁場(chǎng)數據計算出方位角，通過(guò)重力數據進(jìn)行傾斜補償。這樣處理后輸出的方位角不受電子羅盤(pán)空間姿態(tài)的影響，如圖9所示。

圖9.   電子羅盤(pán)結構示意圖。

LSM303DLH將上述的加速計、磁力計、A/D轉化器及信號條理電路集成在一起，仍然通過(guò)I2C總線(xiàn)和處理器通信。這樣只用一顆芯片就實(shí)現了6軸的數據檢測和輸出，降低了客戶(hù)的設計難度，減小了PCB板的占用面積，降低了器件成本。

LSM303DLH的典型應用如圖10所示。它需要的周邊器件很少，連接也很簡(jiǎn)單，磁力計和加速計各自有一條I2C總線(xiàn)和處理器通信。如果客戶(hù)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(hù)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/復位電路以維持AMR的主磁域。C1和C2為置位/復位電路的外部匹配電容，由于對置位脈沖和復位脈沖有一定的要求，建議用戶(hù)不要隨意修改C1和C2的大小。

對于便攜式設備而言，器件的功耗非常重要，直接影響其待機的時(shí)間。LSM303DLH可以分別對磁力計和加速計的供電模式進(jìn)行控制，使其進(jìn)入睡眠或低功耗模式。并且用戶(hù)可自行調整磁力計和加速計的數據更新頻率，以調整功耗水平。在磁力計數據更新頻率為7.5Hz、加速計數據更新頻率為50Hz時(shí)，消耗電流典型值為0.83mA。在待機模式時(shí)，消耗電流小于3uA。

圖10.   LSM303DLH典型應用電路圖。

4.   鐵磁場(chǎng)干擾及校準

電子指南針主要是通過(guò)感知地球磁場(chǎng)的存在來(lái)計算磁北極的方向。然而由于地球磁場(chǎng)在一般情況下只有微弱的0.5高斯，而一個(gè)普通的手機喇叭當相距2厘米時(shí)仍會(huì )有大約4高斯的磁場(chǎng)，一個(gè)手機馬達在相距2厘米時(shí)會(huì )有大約6高斯的磁場(chǎng)，這一特點(diǎn)使得針對電子設備表面地球磁場(chǎng)的測量很容易受到電子設備本身的干擾。

磁場(chǎng)干擾是指由于具有磁性物質(zhì)或者可以影響局部磁場(chǎng)強度的物質(zhì)存在，使得磁傳感器所放置位置上的地球磁場(chǎng)發(fā)生了偏差。如圖11所示，在磁傳感器的XYZ 坐標系中，綠色的圓表示地球磁場(chǎng)矢量繞z軸圓周轉動(dòng)過(guò)程中在XY平面內的投影軌跡，再沒(méi)有外界任何磁場(chǎng)干擾的情況下，此軌跡將會(huì )是一個(gè)標準的以O(0,0)為中心的圓。當存在外界磁場(chǎng)干擾的情況時(shí)，測量得到的磁場(chǎng)強度矢量α將為該點(diǎn)地球磁場(chǎng)β與干擾磁場(chǎng)γ的矢量和。記作：  

圖11.   磁傳感器XY坐標以及磁力線(xiàn)投影軌跡。

一般可以認為，干擾磁場(chǎng)γ在該點(diǎn)可以視為一個(gè)恒定的矢量。有很多因素可以造成磁場(chǎng)的干擾，如擺放在電路板上的馬達和喇叭，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。同樣根據安培定律有電流通過(guò)的導線(xiàn)也會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，如圖12。

圖12   電流對磁場(chǎng)產(chǎn)生的影響。

為了校準這些來(lái)自電路板的磁場(chǎng)干擾，主要的工作就是通過(guò)計算將γ求出。

4.1  平面校準方法

針對XY軸的校準，將配備有磁傳感器的設備在XY平面內自轉，如圖11，等價(jià)于將地球磁場(chǎng)矢量繞著(zhù)過(guò)點(diǎn)O(γx,γy)垂直于XY平面的法線(xiàn)旋轉， 而紅色的圓為磁場(chǎng)矢量在旋轉過(guò)程中在XY平面內投影的軌跡。這可以找到圓心的位置為((Xmax + Xmin)/2,  (Ymax + Ymin)/2).  同樣將設備在XZ平面內旋轉可以得到地球磁場(chǎng)在XZ平面上的軌跡圓，這可以求出三維空間中的磁場(chǎng)干擾矢量γ(γx, γy, γz).

4.2  立體8字校準方法

一般情況下，當帶有傳感器的設備在空中各個(gè)方向旋轉時(shí)，測量值組成的空間幾何結構實(shí)際上是一個(gè)圓球，所有的采樣點(diǎn)都落在這個(gè)球的表面上，如圖13所示，這一點(diǎn)同兩維平面內投影得到的圓類(lèi)似。

圖13   地球磁場(chǎng)空間旋轉后在傳感器空間坐標內得到球體。

這種情況下，可以通過(guò)足夠的樣本點(diǎn)求出圓心O(γx, γy, γz), 即固定磁場(chǎng)干擾矢量的大小及方向。8字校準法要求用戶(hù)使用需要校準的設備在空中做8字晃動(dòng)，原則上盡量多的讓設備法線(xiàn)方向指向空間的所有8個(gè)象限，如圖14所示。

圖14   設備的空中8字校準示意圖。

4.2  十面校準方法

同樣，通過(guò)以下10面校準方法，也可以達到校準的目的。

圖15   10面交準法步驟。

如圖16所示，經(jīng)過(guò)10面校準方法之后，同樣可以采樣到以上所述球體表面的部分軌跡，從而推導出球心的位置，即固定磁場(chǎng)干擾矢量的大小及方向。

圖16   10面校準后的空間軌跡。

5．傾斜補償及航偏角計算

經(jīng)過(guò)校準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(shí)候手機并不是保持水平的，通常它和水平面都有一個(gè)夾角。這個(gè)夾角會(huì )影響航向角的精度，需要通過(guò)加速度傳感器進(jìn)行傾斜補償。

對于一個(gè)物體在空中的姿態(tài)，導航系統里早已有定義，如圖17所示，Android中也采用了這個(gè)定義。Pitch(Φ)定義為x軸和水平面的夾角，圖示方向為正方向；Roll(θ)定義為y軸和水平面的夾角，圖示方向為正方向。由Pitch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。

手機在空中的傾斜姿態(tài)如圖19所示，通過(guò)3軸加速度傳感器檢測出三個(gè)軸上重力加速度的分量，再通過(guò)式2可以計算出Pitch和Roll。

圖19   手機在空中的傾斜姿態(tài)。

               式2

式3可以將磁力計測得的三軸數據（XM，YM ，ZM）通過(guò)Pitch和Roll轉化為式1中計算航向角需要的Hy和Hx。之后再利用式1計算出航向角。

              式3

6．Android平臺指南針的實(shí)現

在當前流行的android 手機中，很多都配備有指南針的功能。為了實(shí)現這一功能，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(guò)library 的計算，上層的應用可以很輕松的運用由Android定義由Library提供的航偏角信息進(jìn)行應用程序的編寫(xiě)。