模擬集成傳感器電子羅盤的那些功能

地磁場矢量分解示意圖
　　實際上對水平方向的兩個分量來說，他們的矢量和總是指向磁北的。羅盤中的航向角（Azimuth）就是當前方向和磁北的夾角。由於羅盤保持水平，隻需要用磁力計水平方向兩軸（通常為X軸和Y軸）的檢測數據就可以用式1計算出航向角。當羅盤水平旋轉的時候
，航向角在0º- 360º之間變化。
 
　　ST利用惠斯通電橋檢測AMR阻值的變化，如圖7所示。R1/R2/R3/R4是初始狀態相同的AMR電阻，但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。當檢測到外界磁場的時候，R1/R2阻值增加?R而R3/R4減少?R。這樣在沒有外界磁場的情況下，電橋的輸出為零；而在有外界磁場時電橋的輸出為一個微小的電壓?V。
 惠斯通電橋
　　當R1=R2=R3=R4=R
，在外界磁場的作用下電阻變化為?R時

，電橋輸出?V正比於?R。這就是磁力計的工作原理。
　　2.2  置位/複位(Set/Reset)電路
　　由於受到外界環境的影響，LSM303DLH中AMR上的主磁域方向不會永久保持不變。LSM303DLH內置有置位/複位電路，通過內部的金屬線圈周期性的產生電流脈衝，恢複初始的主磁域，如圖8所示。需要注意的是，置位脈衝和複位脈衝產生的效果是一樣的

，隻是方向不同而已。

　　置位/複位電路給LSM303DLH帶來很多優點：
　　1）即使遇到外界強磁場的幹擾，在幹擾消失後LSM303DLH也能恢複正常工作而不需要用戶再次進行校正。
　　2）即使長時間工作也能保持初始磁化方向實現精確測量，不會因為芯片溫度變化或內部噪音增大而影響測量精度。
　　3）消除由於溫漂引起的電橋偏差。
　　2.3  LSM303DLH的性能參數
　　LSM303DLH集成三軸磁力計和三軸加速計，采用數字接口。磁力計的測量範圍從1.3 Gauss到8.1 Gauss共分7檔，用戶可以自由選擇。並且在20 Gauss以內的磁場環境下都能夠保持一致的測量效果和相同的敏感度。它的分辨率可以達到8 mGauss並且內部采用12位ADC，以保證對磁場強度的精確測量。和采用霍爾效應原理的磁力計相比
，LSM303DLH的功耗低，精度高，線性度好，並且不需要溫度補償。

　　LSM303DLH具有自動檢測功能。當控製寄存器A被置位時，芯片內部的自測電路會產生一個約為地磁場大小的激勵信號並輸出。用戶可以通過輸出數據來判斷芯片是否正常工作。
　　1. 地磁場和航向角的背景知識
 
　　如圖1所suo示shi，地di球qiu的de磁ci場chang象xiang一yi個ge條tiao形xing磁ci體ti一yi樣yang由you磁ci南nan極ji指zhi向xiang磁ci北bei極ji。在zai磁ci極ji點dian處chu磁ci場chang和he當dang地di的de水shui平ping麵mian垂chui直zhi，在zai赤chi道dao磁ci場chang和he當dang地di的de水shui平ping麵mian平ping行xing

，所suo以yi在zai北bei半ban球qiu磁ci場chang方fang向xiang傾qing斜xie指zhi向xiang地di麵mian。用yong來lai衡heng量liang磁ci感gan應ying強qiang度du大da小xiao的de單dan位wei是shiTesla或者Gauss（1Tesla=10000Gauss）。隨著地理位置的不同

，通常地磁場的強度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北極和地理上的北極並不重合，通常他們之間有11度左右的夾角。
 
圖1 地磁場分布圖
　　dicichangshiyigeshiliang
，duiyuyigegudingdedidianlaishuo
，zhegeshiliangkeyibeifenjieweilianggeyudangdishuipingmianpingxingdefenliangheyigeyudangdishuipingmianchuizhidefenliang。ruguobaochidianziluopanhedangdideshuipingmianpingxing，nameluopanzhongcilijidesangezhoujiuhezhesangefenliangduiyingqilai，rutu2所示。
 
電dian子zi羅luo盤pan是shi一yi種zhong重zhong要yao的de導dao航hang工gong具ju，能neng實shi時shi提ti供gong移yi動dong物wu體ti的de航hang向xiang和he姿zi態tai。隨sui著zhe半ban導dao體ti工gong藝yi的de進jin步bu和he手shou機ji操cao作zuo係xi統tong的de發fa展zhan，集ji成cheng了le越yue來lai越yue多duo傳chuan感gan器qi的de智zhi能neng手shou機ji變bian得de功gong能neng強qiang大da，很hen多duo手shou機ji上shang都dou實shi現xian了le電dian子zi羅luo盤pan的de功gong能neng。而er基ji於yu電dian子zi羅luo盤pan的de應ying用yong（如Android的Skymap）在各個軟件平台上也流行起來。
　　要(yao)實(shi)現(xian)電(dian)子(zi)羅(luo)盤(pan)功(gong)能(neng)，需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)檢(jian)測(ce)磁(ci)場(chang)的(de)三(san)軸(zhou)磁(ci)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)一(yi)個(ge)三(san)軸(zhou)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)。隨(sui)著(zhe)微(wei)機(ji)械(xie)工(gong)藝(yi)的(de)成(cheng)熟(shu)，意(yi)法(fa)半(ban)導(dao)體(ti)推(tui)出(chu)將(jiang)三(san)軸(zhou)磁(ci)力(li)計(ji)和(he)三(san)軸(zhou)加(jia)速(su)計(ji)集(ji)成(cheng)在(zai)一(yi)個(ge)封(feng)裝(zhuang)裏(li)的(de)二(er)合(he)一(yi)傳(chuan)感(gan)器(qi)模(mo)塊(kuai)LSM303DLH
，方便用戶在短時間內設計出成本低、性能高的電子羅盤。本文以LSM303DLH為例討論該器件的工作原理、技術參數和電子羅盤的實現方法。

　　2．ST集成磁力計和加速計的傳感器模塊LSM303DLH
2.1  磁力計工作原理
　　在LSM303DLH中磁力計采用各向異性磁致電阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料來檢測空間中磁感應強度的大小。這種具有晶體結構的合金材料對外界的磁場很敏感，磁場的強弱變化會導致AMR自身電阻值發生變化。
　　在製造過程中，將一個強磁場加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起一個主磁域
，與主磁域垂直的軸被稱為該AMR的敏感軸，如圖3所示。為了使測量結果以線性的方式變化，AMR材料上的金屬導線呈45º角傾斜排列，電流從這些導線上流過
，如圖4所示。由初始的強磁場在AMR材料上建立起來的主磁域和電流的方向有45º的夾角。
 
　　當有外界磁場Ha時，AMR上主磁域方向就會發生變化而不再是初始的方向了，那麼磁場方向和電流的夾角θ也會發生變化，如圖5所示。對於AMR材料來說
，θ角的變化會引起AMR自身阻值的變化

，並且呈線性關係
，如圖6所示。