电子罗盘的工作原理与校准电子罗盘电子指南针android.docx

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电子罗盘的工作原理与校准电子罗盘电子指南针android

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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电话操作系统的进展，集成了愈来愈多传感器的智能电话变得功能壮大，很多电话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，方便用户在短时刻内设计出本钱低、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式。

　　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。

在磁极点处磁场和本地的水平面垂直，在赤道磁场和本地的水平面平行，因此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Gauss（1Tesla=10000Gauss）。

随着地理位置的不同，通常地磁场的强度是0.4-0.6Gauss。

需要注意的是，磁北极和地理上的北极并非重合，通常他们之间有11度左右的夹角。

图1地磁场散布图

　　地磁场是一个矢量，关于一个固定的地址来讲，那个矢量能够被分解为两个与本地水平面平行的分量和一个与本地水平面垂直的分量。

若是维持电子罗盘和本地的水平面平行，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地磁场矢量分解示用意

　　事实上对水平方向的两个分量来讲，他们的矢量和老是指向磁北的。

罗盘中的航向角（Azimuth）确实是当前方向和磁北的夹角。

由于罗盘维持水平，只需要用磁力计水平方向两轴（一样为X轴和Y轴）的检测数据就能够够用式1计算出航向角。

当罗盘水平旋转的时候，航向角在0?

-360?

之间转变。

　　2．ST集成磁力计和加速计的传感器模块LSM303DLH

　　2.1  磁力计工作原理

　　在LSM303DLH中磁力计采纳各向异性磁致电阻（AnisotropicMagneto-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灵敏，磁场的强弱转变会致使AMR自身电阻值发生转变。

　　在制造进程中，将一个强磁场加在AMR上使其在某一方向上磁化，成立起一个主磁域，与主磁域垂直的轴被称为该AMR的灵敏轴，如图3所示。

为了使测量结果以线性的方式转变，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材料上成立起来的主磁域和电流的方向有45º的夹角。

图3AMR材料示用意

图445º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转变而再也不是初始的方向了，那么磁场方向和电流的夹角θ也会发生转变，如图5所示。

关于AMR材料来讲，θ角的转变会引发AMR自身阻值的转变，而且呈线性关系，如图6所示。

图5磁场方向和电流方向的夹角

图6θ-R特性曲线

　　ST利用惠斯通电桥检测AMR阻值的转变，如图7所示。

R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻，可是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。

如此在没有外界磁场的情形下，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转变为∆R时，电桥输出?

V正比于?

R。

这确实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阻碍，LSM303DLH中AMR上的主磁域方向可不能永久维持不变。

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成效是一样的，只是方向不同罢了。

图8LSM303DLH置位/复位电路

　　置位/复位电路给LSM303DLH带来很多优势：

　　1）  即便碰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）  即便长时刻工作也能维持初始磁化方向实现精准测量，可不能因为芯片温度转变或内部噪音增大而阻碍测量精度。

　　3）  排除由于温漂引发的电桥误差。

　　2.3  LSM303DLH的性能参数

　　LSM303DLH集成三轴磁力计和三轴加速计，采纳数字接口。

磁力计的测量范围从1.3Gauss到8.1Gauss共分7档，用户能够自由选择。

而且在20Gauss之内的磁场环境下都能够维持一致的测量成效和相同的灵敏度。

它的分辨率能够达到8mGauss而且内部采纳12位ADC，以保证对磁场强度的精准测量。

和采纳霍尔效应原理的磁力计相较，LSM303DLH的功耗低，精度高，线性度好，而且不需要温度补偿。

　　LSM303DLH具有自动检测功能。

当操纵寄放器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鼓励信号并输出。

用户能够通过输出数据来判定芯片是不是正常工作。

　　作为高集成度的传感器模组，除磁力计之外LSM303DLH还集成一颗高性能的加速计。

加速计一样采纳12位ADC，能够达到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。

　　3.  ST电子罗盘方案介绍

　　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，通过信号层次和数据搜集部份将三维空间中的重力散布和磁场数据传送给处置器。

处置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。

如此处置后输出的方位角不受电子罗盘空间姿态的阻碍，如图9所示。

图9电子罗盘结构示用意

　　LSM303DLH将上述的加速计、磁力计、A/D转化器及信号层次电路集成在一路，仍然通过I2C总线和处置器通信。

如此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，降低了器件本钱。

　　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总线和处置器通信。

若是客户的I/O接口电平为，Vdd_dig_M、Vdd_IO_A和Vdd_I2C_Bus都可接供电，Vdd利用以上供电即可；若是客户接口电平为，除Vdd_dig_M要求之外，其他皆能够用。

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必然的要求，建议用户不要随意修改C1和C2的大小。

图10LSM303DLH典型应用电路图

　　关于便携式设备而言，器件的功耗超级重要，直接阻碍其待机的时刻。

LSM303DLH能够别离对磁力计和加速计的供电模式进行操纵，使其进入眠眠或低功耗模式。

而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、加速计数据更新频率为50Hz时，消耗电流典型值为。

在待机模式时，消耗电流小于3uA。

　　4.  铁磁场干扰及校准

　　电子指南针主若是通过感知地球磁场的存在来计算磁北极的方向。

但是由于地球磁场在一样情形下只有微弱的高斯，而一个一般的电话喇叭当相距2厘米时仍会有大约4高斯的磁场，一个电话马达在相距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能够阻碍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误差。

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轴圆周转动进程中在XY平面内的投影轨迹，再没有外界任何磁场干扰的情形下，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形时，测量取得的磁场强度矢量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坐标和磁力线投影轨迹

　　一样能够以为，干扰磁场γ在该点能够视为一个恒定的矢量。

有很多因素能够造成磁场的干扰，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背板和外壳等等。

一样依照安培定律有电流通过的导线也会产生磁场，如图12。

图12电流对磁场产生的阻碍

　　为了校准这些来自电路板的磁场干扰，要紧的工作确实是通过计算将γ求出。

　　4.1  平面校准方式

　　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进程中在XY平面内投影的轨迹。

这能够找到圆心的位置为（（Xmax+Xmin）/2,  （Ymax+Ymin）/2）.  一样将设备在XZ平面内旋转能够取得地球磁场在XZ平面上的轨迹圆，这能够求出三维空间中的磁场干扰矢量γ（γx,γy,γz）.

　　4.2  立体8字校准方式

　　一样情形下，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事实上是一个圆球，所有的采样点都落在那个球的表面上，如图13所示，这一点同两维平面内投影取得的圆类似。

图13地球磁场空间旋转后在传感器空间坐标内取得球体

　　这种情形下，能够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字校准法要求用户利用需要校准的设备在空中做8字晃动，原那么上尽可能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字校准示用意

　　4.2  十面校准方式

　　一样，通过以下10面校准方式，也能够达到校准的目的。

图1510面交准法步骤

　　如图16所示，通过10面校准方式以后，一样能够采样到以上所述球体表面的部份轨迹，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1610面校准后的空间轨迹

　　5．倾斜补偿及航偏角计算

　　通过校准后电子指南针在水平面上已经能够正常利用了。

可是更多的时候电话并非是维持水平的，通常它和水平面都有一个夹角。

那个夹角会阻碍航向角的精度，需要通过加速度传感器进行倾斜补偿。

　　关于一个物体在空中的姿态，导航系统里早已有概念，如图17所示，Android中也采纳了那个概念。

Pitch（Φ）概念为x轴和水平面的夹角，图示方向为正方向；Roll（θ）概念为y轴和水平面的夹角，图示方向为正方向。

由Pitch角引发的航向角的误差如图18所示。

能够看出，在x轴方向10度的倾斜角就能够够引发航向角最大7-8度的误差。

图17Pitch角和Roll角概念          图18Pitch角引发的航向角误差

　　电话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速度的分量，再通过式2能够计算出Pitch和Roll。

图19电话在空中的倾斜姿态

　　式3能够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。

以后再利用式1计算出航向角。

　　6．Android平台指南针的实现

　　在当前流行的android电话中，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中的软件实现能够由以下框图表示：

　　其中包括:

　　BSPReference

　　LinuxKernelDriver（LSM303DLH_ACC+LSM303DLH_MAG）

　　通过library的计算，上层的应用能够很轻松的运用由Android概念由Library提供的航偏角信息进行应用程序的编写。