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Nombre: Módulo LSM303DLH(campo magnético de tres ejes + aceleración de tres ejes)
El chip tiene un convertidor AD de 12 bits incorporado.Salida de datos de 16 bits
Usando PCB de oro por inmersión,El proceso de soldadura a máquina garantiza la calidad.
Chip usado: LSM303DLH
Fuente de alimentación: 3-5 V (regulador interno de caída de bajo voltaje)
Método de comunicación: protocolo de comunicación IIC estándar
Rango de campo magnético:
±1.3 / ±1.9 / ±2.5 /± 4.0 / ±4.7 /
±5.6 / ±8.1 gauss
Rango de aceleración: ±2 g/±4 g/±8 g
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Introducción relacionada con LSM303D:
El acelerómetro, el magnetómetro, el convertidor A/D y el circuito de procesamiento de señales del chip LSM303DLH están integrados juntos y aún se comunican con el procesador a través del bus I2C. De esta manera, la detección y salida de datos de 6 ejes se realizan con un solo chip, lo que reduce la dificultad de diseño de los clientes, reduce el área ocupada de la placa PCB y disminuye el costo del dispositivo.
El LSM303DLH requiere muy pocos dispositivos periféricos y la conexión también es muy sencilla. El magnetómetro y el acelerómetro tienen cada uno un bus I2C para comunicarse con el procesador. Si el nivel de la interfaz de E/S del cliente es de 1.8V, Vdd_dig_M, Vdd_IO_A y Vdd_I2C_Bus pueden alimentarse todos con 1.8V, y Vdd puede alimentarse con 2.5V o más; si el nivel de la interfaz del cliente es de 2.6V, excepto Vdd_dig_M que requiere 1.8V, todos los demás pueden usar 2.6V. Como se mencionó anteriormente, el LSM303DLH requiere un circuito de set/reset para mantener el dominio magnético principal de AMR. C1 y C2 son capacitores de adaptación externos para el circuito de set/reset. Dado que existen ciertos requisitos para el pulso de set y el pulso de reset, se recomienda que los usuarios no modifiquen el tamaño de C1 y C2 a voluntad.
Para realizar la función de brújula electrónica, se requiere un sensor magnético de tres ejes para detectar campos magnéticos y un sensor de aceleración de tres ejes. Con la madurez de la tecnología micromecánica, STMicroelectronics ha lanzado el LSM303DLH, un módulo sensor dos en uno que integra un magnetómetro de tres ejes y un acelerómetro de tres ejes en un solo paquete, lo que facilita a los usuarios diseñar una brújula electrónica de bajo costo y alto rendimiento en poco tiempo. Este artículo toma el LSM303DLH como ejemplo para discutir el principio de funcionamiento, los parámetros técnicos y el método de implementación de la brújula electrónica.
1. Módulo sensor magnetómetro y acelerómetro integrado ST LSM303DLH
1.1 Principio de funcionamiento del magnetómetro
En el LSM303DLH, el magnetómetro utiliza material de magnetorresistencia anisotrópica (Magnetorresistencia Anisotrópica) para detectar la magnitud de la intensidad de inducción magnética en el espacio. Este material de aleación con una estructura cristalina es muy sensible al campo magnético externo, y los cambios en la intensidad del campo magnético provocarán cambios en el valor de la resistencia del AMR en sí.
Durante el proceso de fabricación, se aplica un fuerte campo magnético al AMR para magnetizarlo en una dirección determinada, estableciendo un dominio magnético principal. El eje perpendicular al dominio magnético principal se denomina eje sensible del AMR, como se muestra en la Figura 3. Para que el resultado de la medición cambie de forma lineal, los hilos metálicos del material AMR se disponen en un ángulo de 45°, y la corriente pasa a través de estos hilos. El dominio magnético principal establecido en el material AMR por el campo magnético fuerte inicial tiene un ángulo de 45° con la dirección de la corriente.
Cuando hay un campo magnético externo Ha, la dirección del dominio magnético principal en el AMR cambiará a la dirección inicial, y el ángulo θ entre la dirección del campo magnético y la corriente también cambiará, como se muestra en la Figura 5. Para los materiales AMR, el cambio en el ángulo θ provocará el cambio en la resistencia del propio AMR, y la relación es lineal.
ST utiliza un puente de Wheatstone para detectar cambios en la resistencia AMR. R1/R2/R3/R4 son resistencias AMR con el mismo estado inicial, pero R1/R2 y R3/R4 tienen características de magnetización opuestas. Cuando se detecta un campo magnético externo, la resistencia de R1/R2 aumenta en ?R y la de R3/R4 disminuye en R. De esta manera, cuando no hay campo magnético externo, la salida del puente es cero; cuando hay un campo magnético externo, la salida del puente es un pequeño voltaje de ?V.
1.2 Circuito de Ajuste/Restablecimiento
Debido a la influencia del entorno externo, la dirección del dominio magnético principal en el AMR del LSM303DLH no permanecerá sin cambios. El LSM303DLH tiene un circuito de set/reset incorporado que genera periódicamente pulsos de corriente a través de la bobina metálica interna para restaurar el dominio magnético principal inicial, como se muestra en la Figura 8. Cabe señalar que el efecto del pulso de set y el pulso de reset es el mismo, pero la dirección es diferente.
El circuito set/reset aporta muchas ventajas al LSM303DLH:
1) Incluso si hay interferencia de un fuerte campo magnético externo, el LSM303DLH puede reanudar el funcionamiento normal después de que la interferencia desaparece sin necesidad de que el usuario calibre de nuevo.
2) Incluso cuando se trabaja durante mucho tiempo, la dirección de magnetización inicial puede mantenerse para lograr la medición, y la precisión de la medición no se verá afectada por los cambios en la temperatura del chip o el aumento del ruido interno.
3) Eliminar la desviación del puente causada por la deriva de temperatura.
1.3 Parámetros de rendimiento del LSM303DLH
LSM303DLH integra un magnetómetro de tres ejes y un acelerómetro de tres ejes con una interfaz digital. El rango de medición del magnetómetro es de 1.3 Gauss a 8.1 Gauss, dividido en 7 niveles, y los usuarios pueden elegir libremente. Y puede mantener resultados de medición consistentes y la misma sensibilidad en un entorno de campo magnético dentro de 20 Gauss. Su resolución puede ser de 8 mGauss y se utiliza un ADC de 12 bits internamente para asegurar la medición de la intensidad del campo magnético. En comparación con los magnetómetros que utilizan el principio del efecto Hall, LSM303DLH tiene bajo consumo de energía, alta precisión, buena linealidad y no requiere compensación de temperatura.
El LSM303DLH tiene una función de detección automática. Cuando se configura el registro de control A, el circuito de autocomprobación dentro del chip generará una señal de excitación de aproximadamente la magnitud del campo geomagnético y la emitirá. Los usuarios pueden utilizar los datos de salida para determinar si el chip está funcionando correctamente.
Como un módulo sensor altamente integrado, el LSM303DLH integra un acelerómetro de alto rendimiento además del magnetómetro. El acelerómetro también utiliza un ADC de 12 bits, que puede lograr una precisión de medición de 1 mg. El acelerómetro puede funcionar en modo de bajo consumo y tiene una función de suspensión/activación, lo que puede reducir en gran medida el consumo de energía. Al mismo tiempo, el acelerómetro también integra detección de dirección de 6 ejes y dos interfaces de interrupción programables.
Para los dispositivos portátiles, el consumo de energía del dispositivo es muy importante y afecta directamente su tiempo de espera. El LSM303DLH puede controlar el modo de suministro de energía del magnetómetro y el acelerómetro por separado para ponerlos en modo de suspensión o de bajo consumo. Y los usuarios pueden ajustar la frecuencia de actualización de datos del magnetómetro y el acelerómetro para ajustar el nivel de consumo de energía. Cuando la frecuencia de actualización de datos del magnetómetro es de 7.5 Hz y la frecuencia de actualización de datos del acelerómetro es de 50 Hz, el consumo de corriente típico es de 0.83 mA. En modo de espera, el consumo de corriente es inferior a 3 uA.
2. Interferencia de campo magnético ferroso y calibración
Las brújulas electrónicas calculan la dirección del norte magnético principalmente detectando la presencia del campo magnético terrestre. Sin embargo, dado que el campo magnético terrestre es generalmente solo débil a 0.5 gauss, un altavoz ordinario de teléfono móvil aún tendrá un campo magnético de aproximadamente 4 gauss cuando esté a 2 cm de distancia, y un motor de teléfono móvil tendrá un campo magnético de aproximadamente 6 gauss cuando esté a 2 cm de distancia, esta característica hace que la medición del campo magnético terrestre en la superficie de los equipos electrónicos sea fácilmente interferida por los propios equipos electrónicos.
Interferencia de campo magnético se refiere a la desviación del campo magnético terrestre en la ubicación donde se coloca el sensor magnético debido a la presencia de materiales magnéticos o materiales que pueden afectar la intensidad del campo magnético local. Como se muestra en la Figura 11, en el sistema de coordenadas XYZ del sensor magnético, el círculo verde representa la trayectoria de proyección del vector del campo magnético terrestre en el plano XY durante la rotación circular alrededor del eje z. En ausencia de cualquier interferencia de campo magnético externo, esta trayectoria será un círculo estándar con O(0,0) como centro. Cuando hay interferencia de campo magnético externo, el vector de intensidad del campo magnético medido α será la suma vectorial del campo magnético terrestre β y el campo magnético interferente γ en ese punto. Se expresa como:
En términos generales, el campo magnético de interferencia γ puede considerarse un vector constante en este punto. Hay muchos factores que pueden causar interferencia en el campo magnético, como motores y altavoces colocados en la placa de circuito, y materiales que contienen metales como hierro, níquel y cobalto, como cubiertas de blindaje, tornillos, resistencias, paneles posteriores LCD y carcasas, etc. De manera similar, según la ley de Ampere, un cable por el que pasa corriente también generará un campo magnético, como se muestra en la Figura 12.
Para calibrar la interferencia del campo magnético de la placa de circuito, la tarea principal es averiguar γ mediante el cálculo.
2.1 Método de calibración del plano
Para la calibración del eje XY, el dispositivo equipado con el sensor magnético gira en el plano XY, lo cual es equivalente a rotar el vector del campo magnético terrestre alrededor de la línea normal que pasa por el punto O(γx,γy) perpendicular al plano XY. El círculo rojo es la trayectoria del vector del campo magnético proyectado en el plano XY durante la rotación. Esto puede encontrar la posición del centro del círculo como ((Xmax + Xmin)/2, (Ymax + Ymin)/2). De manera similar, rotando el dispositivo en el plano XZ se puede obtener el círculo de trayectoria del campo magnético terrestre en el plano XZ, el cual se puede usar para calcular el vector de interferencia del campo magnético γ(γx, γy, γz) en el espacio tridimensional.
2.2 Método de Calibración Estéreo de 8 Caracteres
Hablando en términos generales, cuando un dispositivo con sensores gira en todas las direcciones en el aire, la estructura geométrica espacial compuesta por los valores medidos es en realidad una esfera, y todos los puntos de muestreo caen sobre la superficie de la esfera, como se muestra en la Figura 13. Esto es similar al círculo obtenido por proyección en un plano bidimensional.
En este caso, el centro O(γx, γy, γz), es decir, la magnitud y dirección del vector de interferencia de campo magnético fijo, se puede calcular a través de suficientes puntos de muestra. La fórmula es la siguiente:
El método de calibración en forma de ocho requiere que el usuario use el dispositivo a calibrar para hacer un movimiento en forma de ocho en el aire. En principio, la dirección normal del dispositivo debe apuntar a los 8 cuadrantes del espacio tanto como sea posible.
2.2 Método de calibración de diez lados
De manera similar, el propósito de la calibración también se puede lograr mediante el siguiente método de calibración de 10 caras.
3. Compensación de inclinación y cálculo del ángulo de guiñada
Después de la calibración, la brújula electrónica se puede usar normalmente en el plano horizontal. Sin embargo, la mayor parte del tiempo, el teléfono móvil no se mantiene horizontal, y suele haber un ángulo entre él y el plano horizontal. Este ángulo afectará la precisión del ángulo de rumbo, y es necesario utilizar el sensor de aceleración para la compensación de inclinación.
El sistema de navegación ha definido durante mucho tiempo la postura de un objeto en el aire, como se muestra en la Figura 17. Esta definición también se utiliza en Android. El cabeceo (Φ) se define como el ángulo entre el eje x y el plano horizontal, con la dirección positiva mostrada en la figura; el alabeo (θ) se define como el ángulo entre el eje y y el plano horizontal, con la dirección positiva mostrada en la figura. El error de ángulo de rumbo causado por el ángulo de cabeceo se muestra en la Figura 18. Se puede ver que un ángulo de inclinación de 10 grados en la dirección del eje x puede causar un error de ángulo de rumbo de 7-8 grados.
La postura de inclinación del teléfono móvil en el aire se detecta mediante el sensor de aceleración de tres ejes para detectar los componentes de la aceleración gravitacional en los tres ejes, y luego Pitch y Roll se pueden calcular mediante la Fórmula 2.
Muchos de los teléfonos Android populares están equipados con una función de brújula. Para lograr esta función, solo necesita equiparlo con el módulo sensor dos en uno LSM303DLH proporcionado por ST.
