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  • 关于集成传感器的工作原理以及未来的发展趋势解析

    随着全球多样化的发展,我们的生活也在不断变化着,包括我们接触的各种各样的电子产品,那么你一定不知道这些产品的一些组成,比如集成传感器。 集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的传感器,因此亦称硅传感器或单片集成传感器。模拟集成传感器是在20世纪80年代问世的,它是将传感器集成在一个芯片上、可完成测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成传感器的主要特点是功能单一(仅测量某一物理量)、测量误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等,适合远距离测量、控制,不需要进行非线性校准,外围电路简单。 是从制造工艺上对各种类型的传感器进行分类,是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的,因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器,它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。 集成传感器的主要特点 集成传感器是利用特殊的设计和集成工艺,将敏感元件、晶体管、二极管、电阻、电容等传感器的基本元件制作在一个芯片上,完成信号检测和信号处理的集成电路。因此,集成传感器也称为传感器集成电路。 与传统的分立元件组成的传感器相比,集成传感器具有功能强、精度高、响应速度快、体积小、功耗低、价格低、适合远距离信号传输等特点。集成传感器外围电路简单,性价比高,为测控系统的优化创造了有利条件。 集成传感器未来趋势 随着传感领域技术的进步,用于监测或控制系统的传感器元件现在需要准确性、可靠性和对实际应用输入的支持。这是产品开发周期中最具挑战性的任务之一。因此,很多设计人员会毫不犹豫地选择购买现成的产品或定制预集成传感器模块,可见集成传感器将是未来的必然趋势。 许多传感器供应商将大部分传感元件的设计、测试和制造任务委托给第三方供应商,这样可以最大限度地利用工程设计团队有限的资源,缩短产品上市时间。尽管如此,仍有许多关键决策需要设计人员掌握,而这些关键决策将对产品性能、可靠性和成本产生重大影响。为了帮助为特定应用设计最佳系统,首先让我们分析预集成传感元件,特别是不同传感元件可以提供的优势,然后熟悉一些必须考虑的主要问题。即使是经验丰富的传感器工程师也不得不承认,对于医疗设备、过程控制或其他工厂自动化设备的实际应用条件,设计提供准确可靠数据的传感器元件是最耗时、最耗时的产品开发周期。昂贵的工作之一。这在很大程度上是因为传感器设计是一个跨学科合作的过程,需要设计团队考虑很多电气、机械和制造工艺问题。 一旦您确定了最适合您的应用的传感器元件,您必须决定如何将其与系统的其余部分集成。此过程涉及将传感器与适当的信号调节电路、端子和接口连接器组合配对。接下来,您需要根据应用空间和环境要求来决定是否有可以容纳您组装的现成封装,或者定制封装。定制包可以集成一个或多个传感器和其他组件以创建更高级别的组件,例如血液分析仪和呼吸机中使用的带有集成管道的压力传感器。当然,随着传感器设计的进步,其测试计划也必须与时俱进。您的设计必须确保在最终装配到主系统后,产品能够准确可靠地运行。集成传感器的趋势表明,传感器技术也将不断改进。 在研究设计过程中,一定会有这样或着那样的问题,这就需要我们的科研工作者在设计过程中不断总结经验,这样才能促进产品的不断革新。

    时间:2021-07-20 关键词: 集成传感器 精度 响应速度

  • 选择适合视觉传感器的小妙招

    视觉传感器是一种机器视觉系统,经过专门设计,用于在非结构化环境中执行简单的存在/缺失检测,并提供通过/未通过结果。视觉传感器将相机的图像采集功能与计算机的处理能力相结合,能够对所制造的元件或产品的位置、质量和完整性作出决策。 视觉传感器优势 视觉传感器可以快速提供通过/未通过、是/否和存在/缺失结果,以不同于其他类型传感器的方式解决自动化检测 挑战。 什么样的视觉传感器最适合自家的工厂车间呢? 对于制造商而言,开发环境、照明和模块化是选择视觉传感器时需要好好琢磨的一些重要特征。 1、标准化设置环境 首先,这款视觉传感器应当确保容易上手,即便是新手用户也能够轻松地设置、配置并安装它。选择视觉传感器时,制造商不仅仅需要考虑当前的检测需求,还需要考虑未来的应用(到时可能需要性能更卓越、更灵活的视觉系统)。同时,快速处理与工厂其他自动化设备之间的可靠通信连接也是至关重要的因素。 2、集成式光源 对于一些依靠均匀的弥散照明来定位元件并使用亮度、对比度和像素计数工具来执行可靠检测的视觉传感器而言,若它们被置身于照明条件不适当的工厂环境和限制空间中,纵使有集成式光源,那也可能会给生产过程带来一些阻碍。此时,选择配备内置光源的视觉传感器将可以节省外部照明和固定夹具成本。 3、灵活的模块化设计 对一些制造商来说,要将视觉传感器安装在精确的位置以实现最佳视场、成像分辨率和元件照明可能会很困难。但要是视觉传感器本身就体积小巧,那它就能够安装到任何空间。如果它还拥有灵活的模块化设计,那将有助于光路和电缆铺设,使用户能够在现场更换光源、光学元件和镜头,确保快速完成生产线转换或应用修改不再是梦!最理想的是它如果还配备一套自动对焦的镜头,那将消除了手动重新对焦或调节安装高度的需要,大大提高了生产效率! 作为全球机器视觉的领导者,康耐视总能提供满足您所需的的视觉传感器,无论您的生产环境、资源限制和特定的工具需求是如何的难以实现! 凭借将经过广泛验证的康耐视In-Sight视觉工具、简单的设置和灵活的模块化设计充分结合在一起,康耐视视觉传感器能够适应每分钟多达6,000个元件的生产线速度需求,为视觉传感器的价值、易用性和灵活性设定了新的行业标准。其中,体积小巧的In-Sight 2000系列视觉传感器提供了直列式和直角式两种安装配置,能够安装到狭小的空间。 可现场更换的集成式光学元件和光源也可以根据不断变化的应用需求进行调节,消除了成本昂贵的外部光源的需要。同时,In-Sight 2000视觉传感器可以使用In-Sight Explorer软件——世界上使用最广泛的开发环境,可用于配置和维护各种机器视觉应用。In-Sight Explorer软件上配置的EasyBuilder用户界面还提供了快速的分步骤应用设置,让新手用户也能够在几乎任何生产环境下实现极其可靠的检测性能!

    时间:2018-07-12 关键词: 元件 电源技术解析 视觉系统 集成传感器

  • ADI与TingWorx联手,给用户集成传感器提供云服务

     PTC公司ThingWorx ,同时也是物联网(IoT)平台的领先供应商,今天宣布,其正在与跨国半导体公司ADI (Analog Devices, Inc.(Nasdaq: ADI))合作,为用户提供集成式传感器,采用ThingWorx®物联网平台连接云环境。 智能且互连的产品和设备会生成成千上万的实时信息,产生海量数据。 ThingWorx与ADI合作的目标是帮助用户更便捷地利用感应、测量和链接技术,将物理世界与数字世界智能对接。 双方的合作将为智能互连产品数据的物联网通道(从设备和传感器到无线通信)以及大数据采集和分析提供支持。 ThingWorx 总裁Russ Fadel表示:“全球各行各业的合作伙伴纷纷选择ThingWorx物联网平台来提供物联网产品和服务,不断提高客户价值和营业额。 我们非常高兴与ADI合作,一起致力于解决物联网基础设施难题,如连接、通信以及其它基础服务,使用户可以将时间和精力专注于创建诸多创造商业价值的物联网应用。” ADI提供丰富的高性能模拟、混合信号和数字信号处理(DSP)集成电路(IC)产品系列,可用于几乎所有类型的电子设备。 全世界有超过100,000家客户在使用ADI的信号处理产品,这些产品在转换、调节、处理物理现象时发挥着十分重要的作用,例如将温度、压力、声音、光、速度和运动转换为电信号以用于各种电子设备。 ADI医疗保健、消费电子和物联网部门副总裁Martin Cotter表示:“值此物联网时代,我们的目标是帮助伙伴公司利用传感器生成的数据信息创造智能、互连的产品, 通过与ThingWorx合作,我们致力于增强用户体验,帮助人们更快地利用传输至ThingWorx物联网平台的数据,实现快捷、丰富和交互式的物联网应用、实时仪表盘、联合工作空间和移动接口。”

    时间:2015-11-18 关键词: adi 云服务 大数据 tingworx 集成传感器

  • GSM调制解调器集成传感器节点简化无线数据采集

    一个或多个传感器获得信号,系统发送和处理从传感器获得的数据。传感器节点可以通过有线或无线网络交流彼此的数据或者集中到一点。 因此传感器网络可以归类为一种数据采集网络和数据分发网络。典型数据采集系统由传感器和处理实际信息的线路构成,数据分发网络涉及到通信协议,网络拓扑,传送和处理数据方法。使用的基本网络拓扑星型、环形、总线型和网状结构,如图1所示。 图1:网络拓扑 传感器网络拓扑结构的选择取决于应用,数据处理类型和需求。改善PC与现实世界连接性的需求正蓄势待发。用到了很多传感器和激励,整合可用数据将它们互联正成为必然。 传感器网络节点的数量持续增加,有线连接有可能不能使用,因为有些传感器要放置在偏远地区。每个节点的成本也在下降,感应节点能到达的范围也更宽了。低功率无线技术还有许多先进性,它可以用来设计更有效的系统。 无线网络与有线网络相比还能提供更好的可扩展性,无线网络中加入一个新节点更容易。传感器网络需要平衡传感器节点的性能和寿命。无线节点可动态配置来权衡,并且可以自动操作进行局部控制和电源管理。许多无线协议可以用作传感器网络,例如Zigbee、蓝牙技术、GSM、Wi-Fi等。无线协议的选择取决于传感器网络应用的需要。 低功耗能力 无线传感器网络节点只需要很少的维护,使用同一块电池就可以工作好几天,有时是几个月。因此,低功率设计在现实世界的无线传感器网络中是非常苛刻的,并且还有一个基本要求,传感器节点处理和传送传感器数据时要有非常低的功耗。 传感节点中的传感器通常测量缓慢变化的模拟量,节点只需要激活很短的一段时间来传输数据,然后进入休眠。这就意味着传感器节点必须有优秀的待机电流。并且,大部分的数据传输是从传感器节点到基站。 网络架构与通讯协议必须利用这种不对称的传感器节点到基站的传感通讯。低功耗传感器设计是至关重要的。具备低功率功能传感器的微型机电系统(MEMS)也是很关键的。传感器节点可能工作在不同的、来源密集分布的节点环境中。传感器节点也需要使用非常低的功率在噪声环境中传输。 传感器节点的数据集合 来自传感器网络的数据必须在一个集中的地点汇集和处理。传感器网络中数据处理可分为数据传输和数据采集。 数据传输由传感器网络中路由的信息处理。这些信息也可能是从传感器获得的数据或来自其它传感器的数据请求。现在已经有很多传感器网络数据传输的算法。 数据采集算法在通信中数量特别大,从传感节点开始到结束都在通讯。在这种情况下,需要权衡的是延迟和功耗。在直接传输情况下,每一个节点直接将所收集的数据发送到中央网络(在节点具备GSM能力的情况下)。无线传感器网络节点上面会跑一个操作系统。这使得扩充增加更多的无线传感器变得更容易。 传感器网络的操作系统类似于嵌入式操作系统,因为它们是为某个应用专门开发的,并不是通用的。而且,由于该系统有低功率和低成本的要求,所以不能用通用操作系统。考虑到大多数传感器网络不需要实时能力,可以选择较小的操作系统,如专为传感节点设计的TinyOS。 图2显示了一个典型的使用GSM(全球移动通信系统)调制解调器实现的传感器网络。这里所有的传感器把其数据送到一个集中的服务器。服务器控制每个传感器节点;然而,传感器节点之间不能通讯。服务器必须干涉任何两个传感器节点之间的通信。 图2:传感器网络的典型实现 GSM调制解调器 GSM(全球移动通信系统)是移动电话现有的标准之一。虽然最初仅用于语音通信,它已经通过GPRS(通用分组无线服务技术)和EDGE(增强型数据速率GSM演进技术)实现了数据通讯能力。GSM调制解调器是调制解调器的一个类型,其接受 SIM(用户识别模块),就像移动电话一样工作。GSM调制解调器可以用于低功耗模式,或者不用时可以关闭。 由GSM网络传输数据的费用也在迅速下降。并且,GSM调制解调器可以使用标准的通信协议容易地连接到微控制器。移动电话处理声音和数据的情况也越来越多。大多数GSM调制解调器具备TCP / IP堆栈,可以用来在安全通道传送数据。这也降低了应用程序开发的复杂性,使微控制器可以简单地连接到GSM调制解调器。 GSM调制解调器可以连接到任何一个IP(网络协议)地址并传送数据。多个调制解调器可以向一个单一的IP地址发送数据,所有的数据可以在世界上任何一个地方集中和处理。用户可以基于网络发送的数据远程动态配置每个调制解调器。在某些网络,一个单独的节点就具备GSM能力。其它节点会把数据发送到这个特殊的节点,然后再传送到中央服务器。这可以减少整体系统的成本,但如果节点不是群集在一起,就不能这样实现了。 GSM调制解调器还可以提供即时警报,可以通过SMS(短消息服务)或根据情况把数据传输到一个不同的高优先级的IP地址。这些特性可用于容错和冗余校验。 让我们看一个GSM调制解调器的例子(SIM300),其通过一个串行端口与微控制器通讯。调制解调器有一个标准指令集,AT指令。这些指令控制调制解调器和微控制器之间的操作。微控制器通过UART(通用异步收发器)接口在一个特定的波特率发送这些指令。 使用特定指令可以配置调制解调器,那么通过串口发送的数据就可以传送到中央服务器。因此,与GSM调制解调器的接口简化了传感器网络中的数据采集和处理。 完整的系统实施 一个传感器节点包含一个模拟信号链,还需要大量的数字外围接口。每个传感器节点可能要连接到不同类型的传感器,这就需要接口和I/O的灵活性。单个节点的可编程性在一个成功的传感器网络实现中起着至关重要的作用。 图3:使用PSoC实现传感器节点的框图 图4:使用PSoC实现传感器节点的内部设计 赛普拉斯的PSoC混合信号可编程控制器可以提供模拟和数字系统,其可配置成为每个节点所需的功能。这就不需要为不同类型的传感器配备专门的硬件。这种片上系统(SoC)微控制器还可以只用一颗芯片就可处理传感器节点所需的所有任务,其包括ADC,DAC,PGA,比较器,放大器,数字滤波功能,DMA,LCD控制器,等等。 使用SoC的系统设计可以快速设计和频繁改变来配合传感器节点的定制。PSoC睡眠方式有很低的功耗,非常适合这类应用。

    时间:2012-12-13 关键词: gsm 调制解调器 节点 集成传感器

  • 霍尔开关集成传感器特性曲线电路图

    霍尔开关集成传感器的工作特性 霍尔开关集成传感器的工作特性曲线如图所示。从工作特性曲线上可以看出,工作特性有一定的磁滞BH,这对开关动作的可靠性非常有利。图中的Bop为工作点 "开"的磁感应强度,BRP为释放点"关"的磁感应强度。 霍尔开关集成传感器的工作特性曲线,反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感应强度大于Bop时,输出电平由高变低,传感器处于开状态。当外加磁感应强度小于BRp时,输出电平由低变高,传感器处于关状态。 SL3075型霍尔开关集成传感器是一种双稳态型传感器,又称为锁键型传感器。它的工作特性曲线如图所示。当外加磁感应强度超过工作点时,其输出为导通状态。而在磁场撤销后,输出仍保持不变,必须施加反向磁场并使之超过释放点,这样才能使其关断。

    时间:2012-10-16 关键词: 电路图 特性曲线 物理/光学 霍尔开关 集成传感器

  • 霍尔开关集成传感器的外形与典型应用电路图

    霍尔开关集成传感器的外形与典型应用电路图

    时间:2012-10-16 关键词: 典型 应用电路图 物理/光学 霍尔开关 集成传感器

  • 下一代Xbox设想:集成传感器+2TB硬盘+20倍速度

    随着全新Xbox 360控制台即将推出消息的传出,各界开始不断报导关于下一代 Xbox 360硬件的传闻,从新名字将可能是“Xbox 720”到微软将与电视机制造商签订协议,让Xbox Kinect传感器集成在屏幕里面,去除独立传感器设备,从而让无控制器游戏成为可能。近日,又有国外爆出了相关传闻,不过这次是关于设计师Joseph Dumary对下一代Xbox的设想。 Joseph Dumary是Yanko Design的设计师,他也对下一代Xbox控制台怀有无线设想,并且还作出了几张概念图。“100%数字Xbox Prestige以前360 Kinect为基础,形成了这款完全更少控制器游戏控制台,它甚至比Xbox Slim还小。” 100%数字是指,他的“Xbox Prestige”没有物理媒体驱动器,所有的内容接收都通过宽带完成。我们知道,到现在为止,关于游戏物理媒介将走向死亡的预言已经流传了一段时间,微软和任天堂两家公司都提供了广泛的在线商店。而索尼特别把钱花在刀口上,把即将推出的PlayStation Vita掌机的焦点定在数字分配上,但媒体也将可以通过NVG卡和UMD获得。 当然,Dumary感兴趣的领域并不只是内容传输系统这一块。该概念还集成了传感器,去除了Xbox Kinect独立配件。另外,它还拥有一个2TB硬盘。微软开始向云服务转移,存储将主要用于下载游戏数据,而不是保存游戏程序。 如果远程服务让您感到新奇,它的配置就更是让人目瞪口呆: “该控制台拥有八核处理器,超速表现,比目前的Xbox机子快20倍。它支持 3D、4K2K、multiTV (DPConnect)、 直播TV和网络摄像头,以及GPS,允许用户在活跃的地图上查看任何其他用户的位置。” 最后,我们还是要提醒一下,在你打算奔出房间、并卖掉你当前的Xbox 360而为这款设备付钱之前,请记住,这只是一个概念,无论微软最终将推出什么,它极有可能与Xbox Prestige非常不同。  

    时间:2011-11-29 关键词: xbox tb 20 集成传感器

  • 基于集成传感器的模拟电子罗盘功能设计

    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手机操作系统的发展,集成了越来越多传感器的智能手机变得功能强大,很多手机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,方便用户在短时间内设计出成本低、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法。   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。在磁极点处磁场和当地的水平面垂直,在赤道磁场和当地的水平面平行,所以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或者Gauss(1Tesla=10000Gauss)。随着地理位置的不同,通常地磁场的强度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是,磁北极和地理上的北极并不重合,通常他们之间有11度左右的夹角。   图1 地磁场分布图   地磁场是一个矢量,对于一个固定的地点来说,这个矢量可以被分解为两个与当地水平面平行的分量和一个与当地水平面垂直的分量。如果保持电子罗盘和当地的水平面平行,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 地磁场矢量分解示意图   实际上对水平方向的两个分量来说,他们的矢量和总是指向磁北的。罗盘中的航向角(Azimuth)就是当前方向和磁北的夹角。由于罗盘保持水平,只需要用磁力计水平方向两轴(通常为X轴和Y轴)的检测数据就可以用式1计算出航向角。当罗盘水平旋转的时候,航向角在0º- 360º之间变化。     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中磁力计采用各向异性磁致电阻(Anisotropic Magneto-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敏感,磁场的强弱变化会导致AMR自身电阻值发生变化。   在制造过程中,将一个强磁场加在AMR上使其在某一方向上磁化,建立起一个主磁域,与主磁域垂直的轴被称为该AMR的敏感轴,如图3所示。为了使测量结果以线性的方式变化,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材料上建立起来的主磁域和电流的方向有45º的夹角。       当有外界磁场Ha时,AMR上主磁域方向就会发生变化而不再是初始的方向了,那么磁场方向和电流的夹角θ也会发生变化,如图5所示。对于AMR材料来说,θ角的变化会引起AMR自身阻值的变化,并且呈线性关系,如图6所示。       ST利用惠斯通电桥检测AMR阻值的变化,如图7所示。R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻,但是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。这样在没有外界磁场的情况下,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变化为?R时,电桥输出?V正比于?R。这就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影响,LSM303DLH中AMR上的主磁域方向不会永久保持不变。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效果是一样的,只是方向不同而已。   图8 LSM303DLH置位/复位电路   置位/复位电路给LSM303DLH带来很多优点:   1)即使遇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)即使长时间工作也能保持初始磁化方向实现精确测量,不会因为芯片温度变化或内部噪音增大而影响测量精度。   3)消除由于温漂引起的电桥偏差。   2.3  LSM303DLH的性能参数   LSM303DLH集成三轴磁力计和三轴加速计,采用数字接口。磁力计的测量范围从1.3 Gauss到8.1 Gauss共分7档,用户可以自由选择。并且在20 Gauss以内的磁场环境下都能够保持一致的测量效果和相同的敏感度。它的分辨率可以达到8 mGauss并且内部采用12位ADC,以保证对磁场强度的精确测量。和采用霍尔效应原理的磁力计相比,LSM303DLH的功耗低,精度高,线性度好,并且不需要温度补偿。   LSM303DLH具有自动检测功能。当控制寄存器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激励信号并输出。用户可以通过输出数据来判断芯片是否正常工作。   作为高集成度的传感器模组,除了磁力计以外LSM303DLH还集成一颗高性能的加速计。加速计同样采用12位ADC,可以达到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。

    时间:2011-10-10 关键词: 模拟电子 罗盘 集成传感器

  • 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手机操作系统的发展,集成了越来越多传感器的智能手机变得功能强大,很多手机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,方便用户在短时间内设计出成本低、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法。 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。在磁极点处磁场和当地的水平面垂直,在赤道磁场和当地的水平面平行,所以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或者Gauss(1Tesla=10000Gauss)。随着地理位置的不同,通常地磁场的强度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是,磁北极和地理上的北极并不重合,通常他们之间有11度左右的夹角。                           图1 地磁场分布图 地磁场是一个矢量,对于一个固定的地点来说,这个矢量可以被分解为两个与当地水平面平行的分量和一个与当地水平面垂直的分量。如果保持电子罗盘和当地的水平面平行,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 地磁场矢量分解示意图 实际上对水平方向的两个分量来说,他们的矢量和总是指向磁北的。罗盘中的航向角(Azimuth)就是当前方向和磁北的夹角。由于罗盘保持水平,只需要用磁力计水平方向两轴(通常为X轴和Y轴)的检测数据就可以用式1计算出航向角。当罗盘水平旋转的时候,航向角在0º- 360º之间变化。 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中磁力计采用各向异性磁致电阻(Anisotropic Magneto-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敏感,磁场的强弱变化会导致AMR自身电阻值发生变化。 在制造过程中,将一个强磁场加在AMR上使其在某一方向上磁化,建立起一个主磁域,与主磁域垂直的轴被称为该AMR的敏感轴,如图3所示。为了使测量结果以线性的方式变化,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材料上建立起来的主磁域和电流的方向有45º的夹角。 当有外界磁场Ha时,AMR上主磁域方向就会发生变化而不再是初始的方向了,那么磁场方向和电流的夹角θ也会发生变化,如图5所示。对于AMR材料来说,θ角的变化会引起AMR自身阻值的变化,并且呈线性关系,如图6所示。 ST利用惠斯通电桥检测AMR阻值的变化,如图7所示。R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻,但是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。这样在没有外界磁场的情况下,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变化为∆R时,电桥输出∆V正比于∆R。这就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影响,LSM303DLH中AMR上的主磁域方向不会永久保持不变。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效果是一样的,只是方向不同而已。 图8 LSM303DLH置位/复位电路 置位/复位电路给LSM303DLH带来很多优点: 1)    即使遇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)    即使长时间工作也能保持初始磁化方向实现精确测量,不会因为芯片温度变化或内部噪音增大而影响测量精度。 3)    消除由于温漂引起的电桥偏差。 2.3  LSM303DLH的性能参数 LSM303DLH集成三轴磁力计和三轴加速计,采用数字接口。磁力计的测量范围从1.3 Gauss到8.1 Gauss共分7档,用户可以自由选择。并且在20 Gauss以内的磁场环境下都能够保持一致的测量效果和相同的敏感度。它的分辨率可以达到8 mGauss并且内部采用12位ADC,以保证对磁场强度的精确测量。和采用霍尔效应原理的磁力计相比,LSM303DLH的功耗低,精度高,线性度好,并且不需要温度补偿。 LSM303DLH具有自动检测功能。当控制寄存器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激励信号并输出。用户可以通过输出数据来判断芯片是否正常工作。 作为高集成度的传感器模组,除了磁力计以外LSM303DLH还集成一颗高性能的加速计。加速计同样采用12位ADC,可以达到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,通过信号条理和数据采集部分将三维空间中的重力分布和磁场数据传送给处理器。处理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。这样处理后输出的方位角不受电子罗盘空间姿态的影响,如图9所示。 图9 电子罗盘结构示意图 LSM303DLH将上述的加速计、磁力计、A/D转化器及信号条理电路集成在一起,仍然通过I2C总线和处理器通信。这样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,降低了器件成本。 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总线和处理器通信。如果客户的I/O接口电平为1.8V,Vdd_dig_M、Vdd_IO_A和Vdd_I2C_Bus均可接1.8V供电,Vdd使用2.5V以上供电即可;如果客户接口电平为2.6V,除了Vdd_dig_M要求1.8V以外,其他皆可以用2.6V。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一定的要求,建议用户不要随意修改C1和C2的大小。 对于便携式设备而言,器件的功耗非常重要,直接影响其待机的时间。LSM303DLH可以分别对磁力计和加速计的供电模式进行控制,使其进入睡眠或低功耗模式。并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7.5Hz、加速计数据更新频率为50Hz时,消耗电流典型值为0.83mA。在待机模式时,消耗电流小于3uA。 图10 LSM303DLH典型应用电路图 4.   铁磁场干扰及校准 电子指南针主要是通过感知地球磁场的存在来计算磁北极的方向。然而由于地球磁场在一般情况下只有微弱的0.5高斯,而一个普通的手机喇叭当相距2厘米时仍会有大约4高斯的磁场,一个手机马达在相距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者可以影响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偏差。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轴圆周转动过程中在XY平面内的投影轨迹,再没有外界任何磁场干扰的情况下,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况时,测量得到的磁场强度矢量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坐标以及磁力线投影轨迹 一般可以认为,干扰磁场γ在该点可以视为一个恒定的矢量。有很多因素可以造成磁场的干扰,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背板以及外壳等等。同样根据安培定律有电流通过的导线也会产生磁场,如图12。 图12 电流对磁场产生的影响 为了校准这些来自电路板的磁场干扰,主要的工作就是通过计算将γ求出。 4.1  平面校准方法 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过程中在XY平面内投影的轨迹。这可以找到圆心的位置为((Xmax + Xmin)/2,  (Ymax + Ymin)/2).  同样将设备在XZ平面内旋转可以得到地球磁场在XZ平面上的轨迹圆,这可以求出三维空间中的磁场干扰矢量γ(γx, γy, γz). 4.2  立体8字校准方法 一般情况下,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实际上是一个圆球,所有的采样点都落在这个球的表面上,如图13所示,这一点同两维平面内投影得到的圆类似。 图13 地球磁场空间旋转后在传感器空间坐标内得到球体 这种情况下,可以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字校准法要求用户使用需要校准的设备在空中做8字晃动,原则上尽量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。 4.2  十面校准方法 同样,通过以下10面校准方法,也可以达到校准的目的。 如图16所示,经过10面校准方法之后,同样可以采样到以上所述球体表面的部分轨迹,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16 10面校准后的空间轨迹 5.倾斜补偿及航偏角计算 经过校准后电子指南针在水平面上已经可以正常使用了。但是更多的时候手机并不是保持水平的,通常它和水平面都有一个夹角。这个夹角会影响航向角的精度,需要通过加速度传感器进行倾斜补偿。 对于一个物体在空中的姿态,导航系统里早已有定义,如图17所示,Android中也采用了这个定义。Pitch(Φ)定义为x轴和水平面的夹角,图示方向为正方向;Roll(θ)定义为y轴和水平面的夹角,图示方向为正方向。由Pitch角引起的航向角的误差如图18所示。可以看出,在x轴方向10度的倾斜角就可以引起航向角最大7-8度的误差。       图17 Pitch角和Roll角定义                图18 Pitch角引起的航向角误差 手机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可以计算出Pitch和Roll。 图19 手机在空中的倾斜姿态 6.Android平台指南针的实现 在当前流行的android 手机中,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中的软件实现可以由以下框图表示: 其中包括: •    BSP Reference •    Linux Kernel Driver (LSM303DLH_ACC + LSM303DLH_MAG) •    HAL Library(Sensors_lsm303dlh + Liblsm303DLH) for sensors.default.so 经过library 的计算,上层的应用可以很轻松的运用由Android定义由Library提供的航偏角信息进行应用程序的编写。  

    时间:2010-11-29 关键词: 方案 电子罗盘 集成传感器

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