基于集成传感器的模拟电子罗盘功能设计

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。

图1 地磁场分布图

　　地磁场是一个矢量，对于一个固定的地点来说，这个矢量可以被分解为两个与当地水平面平行的分量和一个与当地水平面垂直的分量。如果保持电子罗盘和当地的水平面平行，那么罗盘中磁力计的三个轴就和这三个分量对应起来，如图2所示。

图2 地磁场矢量分解示意图

　　实际上对水平方向的两个分量来说，他们的矢量和总是指向磁北的。罗盘中的航向角（Azimuth）就是当前方向和磁北的夹角。由于罗盘保持水平，只需要用磁力计水平方向两轴（通常为X轴和Y轴）的检测数据就可以用式1计算出航向角。当罗盘水平旋转的时候，航向角在0º- 360º之间变化。

　　2．ST集成磁力计和加速计的传感器模块LSM303DLH 

　　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。

　　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。

　　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。

图7 惠斯通电桥

　　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。

图8 LSM303DLH置位/复位电路

　　置位/复位电路给LSM303DLH带来很多优点：

　　1）即使遇到外界强磁场的干扰，在干扰消失后LSM303DLH也能恢复正常工作而不需要用户再次进行校正。

　　2）即使长时间工作也能保持初始磁化方向实现精确测量，不会因为芯片温度变化或内部噪音增大而影响测量精度。

　　3）消除由于温漂引起的电桥偏差。

　　2.3  LSM303DLH的性能参数

　　LSM303DLH集成三轴磁力计和三轴加速计，采用数字接口。磁力计的测量范围从1.3 Gauss到8.1 Gauss共分7档，用户可以自由选择。并且在20 Gauss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。