HMC5843L应用设计指南

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1、Honeywell 广州: Tel:020-84101800 上海:Tel:021-62370237 北京:Tel:010-84583280 香港:Tel：00852-29536412 http:/www.honeywell- 1 HMC5843 三轴数字罗盘三轴数字罗盘IC应用设计指南应用设计指南 引言引言 HMC5843数字罗盘集成电路是为了测量低磁场强度，如地球的磁场，带有专用集成电路（ASIC）的, 提供数字接口的3-轴磁传 感器。本设计指南包括设计者的对性能权衡，参考电路布局，软件源代码程序和设计技巧的总体观点，以确保一个成功的电子 罗盘方案。 本设计指南基于电子罗盘的适当准确性的假

2、设，重点是争取尽可能降低成本费用，以及占用尽可能少的面积。如果这些假设不 符合您的愿望，请随时向霍尼韦尔公司的技术人员咨询以获得更多适合您的设计要求的资源。还可以自己登陆网站, 其中有 HMC5843 数据表，还有许多有关应用注释和技术文件的指南和导航。 过程过程 在许多应用中使用时， HMC5843 中的设计是一种直截了当的过程。对于手持式装置， HMC5843 如果能位于产品的磁安静部 分将会很好地工作，准确测量地球的磁场方向。但一些正常的设计做法必须得到详细审查，以不扭曲地球磁场为中心。虽然大 多数电力技术人员和工程师可以形象化电路导体中的不可视的电流，但把握磁力线的流向和来自电路板干扰

3、的概念则困难得多。 一旦找到 HMC5843 罗盘集成电路的候选位置或地点，建议使用 HMC5843 建造原型版，用于收集当地的不同方位的磁场数据。 好的位置将显示出清洁的地球磁场，即在旋转时呈正弦曲线。 设计者也可以获得 HMC5843 演示板，并使用 HMC5843 在板的边缘去“嗅”出最安静的候选位置。要避免的是，铁质金属 RF 防 护屏，钢质底盘扣件，振动器/电机，动态传声器喇叭， 以及无电机屏蔽的动态扬声器。这些部件及其他部件或者扭曲地球磁力 线，或者产生他们自己的磁流线，而进行磁偏干扰，必须进行校准。 当最后位置确定时， HMC5843 的方向便是下一步要进行处理的。电路板设计自动

4、选择路径软件，对选择位置指南，其目的是 尽量缩短线路。建议设计时，对 HMC5843 的方向进行手动定位， 以保证 X-轴方向与最终产品的前进指向相同。这样做的目的 是当终端用户指向并点击产品时，参照罗盘航向可直接自导航演算读取，而无需转动校准。如果 HMC5843 无法定位最佳方向， 输出数据可被重新修正。 最后，HMC5843 的 XYZ 轴的数据，可以通过数据处理器收集到，经过软件的算法对这些数据进行计算 ，并输出罗盘航向。 下面已包含相应的罗盘设计流程图，指导设计者根据所得的原始磁数据去计算出方向。同样，硬磁校准程序也有描述，为如何 通过处理偏移磁场去获取偏移值。虽然我们没有免费提供现

5、成的源代码，按照提供的数学方程， 书写程序的基本结构 应该是 可以完成的。授权下的软件也可用于项目计算和硬磁校准程序。 特别注意：特别注意： HMC5843与与其他元器件的间距其他元器件的间距 对于某些终端产品，磁罗盘要放置于它们的电路内时，这样的集成不是一项简单的任务。许多消费电子产品含有屏蔽的RF电路， 磁铁扬声器，以及带有未知量漏磁的马达。在一个理想的布置中， HMC5843应设在磁安静的位置，合理远离磁铁，马达和铁质 金属射频屏蔽.。同样，大部分表面贴装电子部件包含铁质和金属镍。由于这些并不能避免在电路板的设计中， 建议在承镍零件 和HMC5843之间要空出两毫米以上的空间。这也包括电

6、路板的背面部件。见图1描述的地球磁力线的畸变。 Honeywell 广州: Tel:020-84101800 上海:Tel:021-62370237 北京:Tel:010-84583280 香港:Tel：00852-29536412 http:/www.honeywell- 2 线路板顶视图线路板顶视图 磁力线磁力线 南 北 图图1 -镀镍引起的磁变形镀镍引起的磁变形 为了减少电镀元器磁干扰，一般可以使用二比一的目测法则。例如，如图 1 所示的 0805 电阻器，有造成磁场畸变的 50 mil 宽 （1.27mm）的全焊镍镀端盖，把电阻放在至少有 100mil（2.54mm）以外，其磁的失真影

7、响将不到 1 。 HMC5843和大电流之间的间距和大电流之间的间距 大电流的电线和印刷电路的轨迹也可产生磁场。HMC5843或其他磁性传感器不能辨别地球磁场和邻近导体产生磁场，因为这些 磁场将相加；在罗盘方向计算中造成误差。另一条经验规则是让高于10毫安培电流进一步远离磁传感器几毫米以上。图2描述电 路板轨迹如何在电路板上形成环流以及如何流经相邻部件。 磁传感器磁传感器 电路板电路板 电路轨迹磁力线电路轨迹磁力线 图图2 电路轨迹磁场电路轨迹磁场 Honeywell 广州: Tel:020-84101800 上海:Tel:021-62370237 北京:Tel:010-84583280 香港

8、:Tel：00852-29536412 http:/www.honeywell- 3 HMC5843和终端产品相对方位确定和终端产品相对方位确定 HMC5843 包括单独磁性传感器芯片及用以模拟信号处理和数字化的 ASIC。 罗盘是一个方向敏感的功能件， 当使用罗盘方向 “指 引”您的产品时，方便的做法是将最终产品的“向前”的部分作为引导轴。在大多数情况下，它意味着 HMC5843 X 轴将在这向前 方向。图 3 显示 HMC5843 顶视图及其参考方向轴。 插脚 1 参考矢量参考矢量 图图 3 HMC5843 顶视图顶视图 当罗盘测量时，至少用两个或三个矢量磁场相对于地球磁场南北方向来确定该

9、产品的前进方向。当放置水平时（Z 是常数），罗 盘旋转，X 和 Y 磁性矢量呈正弦和余弦函数曲线。当指向磁北时 X 磁输出是在其最大的正值的模拟数字转换器（ADC）计数， Y 磁场输出集中在接近零的 ADC 计数。图 4 显示了罗盘旋转时典型的 X 和 Y 相应输出。 北北 东东 南南 西西 北北 罗盘方向罗盘方向 (度度) X = 余弦余弦 Y = - 正弦正弦 幅值（%ADC计数） Honeywell 广州: Tel:020-84101800 上海:Tel:021-62370237 北京:Tel:010-84583280 香港:Tel：00852-29536412 http:/www.ho

10、neywell- 4 图图 4 罗盘曲线罗盘曲线 由于 HMC5843 磁传感器具有矢量 X 和翻转的 Y（X 领先 Y 90 度），部分不符合罗盘曲线如图 4 所示。为了实现相符，将数据 从 HMC5843 Y 轴必须极性翻转。例如一个价值 89 模数转换器计数必须成为-89 计数，把正的正弦函数变为负的正弦函数。 为了展示在电设计中如何工作，图5描述了一内有单横向电路板的手持移动电话外形。将HMC5843 X-轴的定向在电话前向顶端， 终端客户可以通过XYZ磁矢量数据确定电话指向并接收罗盘方向信息。当使用GPS定位数据时，这是定位服务（ LBS ）和远程 应用的基础。 向前（指向）向前（指

11、向） 顶 位置位置 印刷电路板印刷电路板 底底 无线电话壳体轮廓无线电话壳体轮廓 图图 5 移动电话内的移动电话内的HMC5843罗盘罗盘IC 当在产品内 HMC5843 不能指向水平方向时，可使用其他轴系统。事实上，当电话在汽车内的一个直立的保持器中时， 需要另 外的坐标，。当平直时，罗盘是在一个 X-Y 坐标系统，当它是直立时，用 Y-Z 坐标系比较合适；因为汽车四处行驶时 X 轴是恒 定的。如果产品是直立在 Y 轴上，可用 Z-X 坐标系统。图 6 显示这些位置。 X-Y参考参考 Y-Z 参考参考 Z-X 参考 参考 Honeywell 广州: Tel:020-84101800 上海:T

12、el:021-62370237 北京:Tel:010-84583280 香港:Tel：00852-29536412 http:/www.honeywell- 5 图图 6 HMR5843 定向定向 参考设计参考设计 因为它的超低功耗特性和 I2C 串行数据的数字接口，HMC5843 适合许多便携式装置的电子罗盘功能。图 7 显示一个标准的双电 源（数字和模拟）参考设计示意图。 CPU主机主机 控制逻辑 和电源接 通复位 调压器 限流器 测试 偏移电流 I2C从动机从动机 偏置 置位/复位 I2C主主动机动机 H-电桥 放大器 Honeywell 广州: Tel:020-84101800 上海:

13、Tel:021-62370237 北京:Tel:010-84583280 香港:Tel：00852-29536412 http:/www.honeywell- 6 图图 7 参考设计原理图参考设计原理图 (双电源双电源) 参考设计说明参考设计说明 图7HMC5843上述双电源的参考设计是一种单芯片磁性传感器用于电子罗盘解决方案措施，测量流经传感器元件的磁场，并将它 们转换为幅值计算成为罗盘方向。三个高度定向磁性传感器取得所加磁场大小和方向，这些幅值开始是微弱电压，经过放大再 数字量输出以转交于外部微处理器用来实现罗盘和指向应用。 在 HMC5843 内， 三个精度各向异性磁电阻 （ AMR ）

14、 的传感器硅片由于其惠斯登电桥配置， 转换磁场为输出电压。 这三个 AMR 传感器共用两套线圈（带）；一个称为偏置卷带，另一个描述为一置位/复位卷带。偏置卷带将电流转换成附加磁场用于自我测 试的目的，并可降低或升高外部磁场值以方便测量。置位/复位卷带是另一个电流回路产生磁场，而使得传感器去磁，以及用于 传感器的磁极翻转而进行更多的实地测量。 HMC5843 的其余电路是在一个特定应用集成电路（ASIC）芯片之内。在 ASIC 上，一个 H-电桥驱动电路加上外部电容器 C1 和 C2，能施加一个脉冲，使置位/复位卷带创造强磁场为传感器去磁和传感器极性翻转。由于置位/复位卷带低电阻，C1 和 C2

15、 电容 必须为低 ESR （有效串联电阻）级电容，只有 100 毫欧姆的 ESR。代表性的陶瓷多层电容器来用于低的 ESR 和最小尺寸封装。 从 AMR 传感器上，ASIC 提供了一个复用器或 MUX，由传感器向传感器切换，依次连接测量的传感器到放大器和 ADC。该复 用器开关在几微秒内快速测量三个传感器， 允许复位脉冲翻转传感器极性，重新测量三个传感器。这一过程可以快达每秒 50 次。 该放大器电路得到平衡传感器输出电压，通过复用器和一个可编程的放大器，然后转换为数字编号。在放大器后，一个 12 位模 拟数字转换器（ADC）电路接受放大的传感器电压，并创建一个 12 位数字号码代表的电压。这

16、一数字通常被称为模数转换器“计 数”，并有 4096 值代表二进制组合的 12 -位。 通常情况下的ADC计数的中点位置（计数2048 ）代表了零磁场幅值（零高斯）。工厂默认值+ / -700毫高斯量程 转化为0到4096 计数跨度。由于正负极性代表磁场，+700毫高斯的计数是0x7FFF （+2047计数），而-700毫高斯是0xF800， 因为负数 （-2047 计数）的关系。 由于可编程放大器置位， HMC5843 芯片有从+ / -700 毫高斯到+ / -6.5 高斯的 8 个范围，以处理各种磁场环境。地球磁场幅度约 + / -600 毫高斯， 低增益置位允许来自人为的杂散场（如车辆磁化）。去除一些杂散场将在下文的校准部分讨论。 HMC5843 供电部分提供一些功能，例如，数字逻