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ST集成傳感器方案實(shí)現(xiàn)電子羅盤(pán)功能

作者: 時(shí)間:2010-11-29 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

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,了越來(lái)越多的智能手機(jī)變得強(qiáng)大,很多手機(jī)上都。而基于的應(yīng)用(如Android的Skymap)在各個(gè)軟件平臺(tái)上也流行起來(lái)。

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/162629.htm

電子羅盤(pán),需要一個(gè)檢測(cè)磁場(chǎng)的三軸磁力和一個(gè)三軸加速度。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)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(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矫嫫叫校栽诒卑肭虼艌?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。
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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。

未標(biāo)題-1.jpg

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。

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2.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(chēng)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。
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當(dāng)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(duì)于AMR材料來(lái)說(shuō),θ角的變化會(huì)引起AMR自身阻值的變化,并且呈線性關(guān)系,如圖6所示。

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利用惠斯通電橋檢測(cè)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(dāng)檢測(cè)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。


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