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电子罗盘的工作原理及校准

发布时间:2019-07-18 09:02 来源:未知 编辑:admin

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  ST 集成传感器方案实现电子罗盘功能 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 。 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 力 0?计 360? 工 之 间 作 变 原 化 。 理 2 . ST 集 成 磁 力 计 和 加 速 计 的 传 感 器 模 块 LSM303DLH 2.1 磁 在 LSM303DLH 中 磁 力 计 采 用 各 向 异 性 磁 致 电 阻 ( Anisotropic MagnetoResistance)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 材料上的金属导线角倾斜排列,电流从这些导线 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 45 的 夹 角 。 图 3 AMR 材料示意图 图 4 45角排列的导线 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 。 图 5 磁场方向和电流方向的夹角 图 6 θ-R 特性曲线 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 2.2 置 是 位 磁 / 力 复 计 的 位 工 作 原 理 电 。 路 (Set/Reset) 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 1) 不 或 需 内 3 部 ) 2) 要 噪 用 音 户 增 大 再 而 的 LSM303DLH 次 影 进 响 性 带 来 很 多 优 点 : 行 测 量 能 校 精 参 正 度 。 。 数 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 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 消除由于温漂引起的电桥偏差。 2.3 LSM303DLH 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 3. ST 中 电 子 断 罗 接 盘 方 口 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 。 图 9 电子罗盘结构示意图 LSM303DLH 将上述的加速计、磁力计、A/D 转化器及信号条理电路集成在一起,仍 然通过 I2C 总线和处理器通信。这样只用一颗芯片就实现了 6 轴的数据检测和输出,降低 了 客 户 的 设 计 难 度 , 减 小 了 PCB 板 的 占 用 面 积 , 降 低 了 器 件 成 本 。 LSM303DLH 的典型应用如图 10 所示。它需要的周边器件很少,连接也很简单,磁 力 计 和 加 速 计 各 自 有 一 条 I2C 总 线 和 处 理 器 通 信 。 如 果 客 户 的 I/O 接 口 电 平 为 1.8V,Vdd_dig_M、Vdd_IO_A 和 Vdd_I2C_Bus 均可接 1.8V 供电,Vdd 使用 2.5V 以 上供电即可;如果客户接口电平为 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/复位电路以维持 AMR 的主磁域。C1 和 C2 为置位/复位电路的外部匹配电容,由于对置位脉冲和复位脉冲有一定的要求,建议用 户 不 要 随 意 修 改 C1 和 C2 的 大 小 。 图 10 LSM303DLH 典型应用电路图 对于便携式设备而言,器件的功耗非常重要,直接影响其待机的时间。LSM303DLH 可以分别对磁力计和加速计的供电模式进行控制,使其进入睡眠或低功耗模式。并且用户 可自行调整磁力计和加速计的数据更新频率,以调整功耗水平。在磁力计数据更新频率为 7.5Hz、加速计数据更新频率为 50Hz 时,消耗电流典型值为 0.83mA。在待机模式时, 消 耗 4. 电 铁 流 磁 场 小 干 于 扰 及 3uA 校 。 准 电子指南针主要是通过感知地球磁场的存在来计算磁北极的方向。然而由于地球磁场 在一般情况下只有微弱的 0.5 高斯,而一个普通的手机喇叭当相距 2 厘米时仍会有大约 4 高斯的磁场,一个手机马达在相距 2 厘米时会有大约 6 高斯的磁场,这一特点使得针对电 子 设 备 表 面 地 球 磁 场 的 测 量 很 容 易 受 到 电 子 设 备 本 身 的 干 扰 。 磁场干扰是指由于具有磁性物质或者可以影响局部磁场强度的物质存在,使得磁传感 器所放置位置上的地球磁场发生了偏差。如图 11 所示,在磁传感器的 XYZ 坐标系中,绿 色的圆表示地球磁场矢量绕 z 轴圆周转动过程中在 XY 平面内的投影轨迹,再没有外界任 何磁场干扰的情况下,此轨迹将会是一个标准的以 O(0,0)为中心的圆。当存在外界磁场干 扰的情况时,测量得到的磁场强度矢量 α 将为该点地球磁场 β 与干扰磁场 γ 的矢量和。记 作 : 图 11 磁传感器 XY 坐标以及磁力线投影轨迹 一般可以认为,干扰磁场 γ 在该点可以视为一个恒定的矢量。有很多因素可以造成磁 场的干扰,如摆放在电路板上的马达和喇叭,还有含有铁镍钴等金属的材料如屏蔽罩,螺 丝,电阻, LCD 背板以及外壳等等。同样根据安培定律有电流通过的导线也会产生磁场, 如 图 12 。 图 12 电流对磁场产生的影响 为了校准这些来自电路板的磁场干扰,主要的工作就是通过计算将 γ 求出。 4.1 平 面 校 准 方 法 针对 XY 轴的校准,将配备有磁传感器的设备在 XY 平面内自转,如图 11,等价于将 地球磁场矢量绕着过点 O(γx,γy)垂直于 XY 平面的法线旋转, 而红色的圆为磁场矢量在旋 转 过 程 中 在 XY 平 面 内 投 影 的 轨 迹 。 这 可 以 找 到 圆 心 的 位 置 为 ((Xmax + Xmin)/2, (Ymax + Ymin)/2). 同样将设备在 XZ 平面内旋转可以得到地球磁场在 XZ 平 面 上 的 轨 迹 圆 , 这 可 以 求 出 三 维 空 间 中 的 磁 场 干 扰 矢 量 γ(γx, γy, γz). 4.2 立 体 8 字 校 准 方 法 一般情况下,当带有传感器的设备在空中各个方向旋转时,测量值组成的空间几何结 构实际上是一个圆球,所有的采样点都落在这个球的表面上,如图 13 所示,这一点同两 维 平 面 内 投 影 得 到 的 圆 类 似 。 图 13 地球磁场空间旋转后在传感器空间坐标内得到球体 这种情况下,可以通过足够的样本点求出圆心 O(γx, γy, γz), 即固定磁场干扰矢量的 大 小 及 方 向 。 公 式 如 下 : 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 。 图 14 设备的空中 8 字校准示意图 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 。 图 15 10 面交准法步骤 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。 图 16 10 面校准后的空间轨迹 5 . 倾 斜 补 偿 及 航 偏 角 计 算 经过校准后电子指南针在水平面上已经可以正常使用了。但是更多的时候手机并不是 保持水平的,通常它和水平面都有一个夹角。这个夹角会影响航向角的精度,需要通过加 速 度 传 感 器 进 行 倾 斜 补 偿 。 对于一个物体在空中的姿态,导航系统里早已有定义,如图 17 所示,Android 中也 采用了这个定义。Pitch(Φ)定义为 x 轴和水平面的夹角,图示方向为正方向;Roll(θ)定义 为 y 轴和水平面的夹角,图示方向为正方向。由 Pitch 角引起的航向角的误差如图 18 所示。 可 以 看 出 , 在 x 轴 方 向 10 度 的 倾 斜 角 就 可 以 引 起 航 向 角 最 大 7-8 度 的 误 差 。 图 17 Pitch 角和 Roll 角定义 速 度 的 分 量 , 再 通 过 式 2 图 18 Pitch 角引起的航向角误差 可 以 计 算 出 Pitch 和 Roll 。 手机在空中的倾斜姿态如图 19 所示,通过 3 轴加速度传感器检测出三个轴上重力加 图 19 手机在空中的倾斜姿态 式 3 可以将磁力计测得的三轴数据(XM,YM ,ZM)通过 Pitch 和 Roll 转化为式 1 中计算航向角需要的 Hy 和 Hx。之后再利用式 1 计算出航向角。 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 : 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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