基于LSM303DLH集成傳感器的電子羅盤(pán)實(shí)現(xiàn)方法

電子羅盤(pán)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(lái)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(pán)的功能。而基于電子羅盤(pán)的應(yīng)用(如Android的Skymap)在各個(gè)軟件平臺(tái)上也流行起來(lái)。

　　要實(shí)現(xiàn)電子羅盤(pán)功能，需要一個(gè)檢測(cè)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(pán)。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(pán)的實(shí)現(xiàn)方法。

　　1. 地磁場(chǎng)和航向角的背景知識(shí)

　　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(dāng)?shù)氐乃矫娲怪?，在赤道磁?chǎng)和當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫?，所以在北半球磁?chǎng)方向傾斜指向地面。用來(lái)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(chǎng)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(chǎng)分布圖

　　地磁場(chǎng)是一個(gè)矢量，對(duì)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(dāng)?shù)厮矫嫫叫械姆至亢鸵粋€(gè)與當(dāng)?shù)厮矫娲怪钡姆至俊Ｈ绻３蛛娮恿_盤(pán)和當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫?，那么羅盤(pán)中磁力計(jì)的三個(gè)軸就和這三個(gè)分量對(duì)應(yīng)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(duì)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(dāng)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(jì)水平方向兩軸(通常為X軸和Y軸)的檢測(cè)數(shù)據(jù)就可以用式1計(jì)算出航向角。當(dāng)羅盤(pán)水平旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，航向角在0o- 360o之間變化。

　　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(lái)檢測(cè)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(duì)外界的磁場(chǎng)很敏感，磁場(chǎng)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(guò)程中，將一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)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(cè)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(guò)，如圖4所示。由初始的強(qiáng)磁場(chǎng)在AMR材料上建立起來(lái)的主磁域和電流的方向有45o的夾角。