被配置为感测磁场的电子设备的制作方法
【专利摘要】本实用新型描述了一种被配置为感测磁场的电子设备，包括：磁力计，被配置为测量沿着至少一个轴线的外部磁场的至少一个值；以及至少一个处理器，被配置为从磁力计接收磁场数据并且计算椭圆体的至少一个参数，其中磁场数据由椭圆体表示。可以使用由多个磁场测量产生的椭圆体表面来模拟硬铁干扰和软铁干扰。椭圆体与参照系之间的位移对应于硬铁或永磁场干扰。椭圆体的形状和定向对应于软铁磁场干扰。可以分析椭圆体表面以获得用于消除硬铁和软铁干扰的磁场补偿值。
【专利说明】被配置为感测磁场的电子设备
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及补偿由于硬铁和软铁效应引起的磁干扰，以便改进磁性传感器的磁场感测精度。
【背景技术】
[0002]存在许多为设备的用户提供导航和/或设备定向功能作为辅助的手持便携式电子设备。一些智能手机能够提供方便的导航显示器，导航显示器绘制用户所在区域的地图，并且绘图用户的位置和/或用户在该区域内穿过的路径。一些手持游戏控制器或远程控制器也可以使用定向功能以提供对于视频游戏、计算系统或远程装置的控制。在一些设备中，导航或定向功能可以基于全球定位系统(GPS)信号。一些设备可以采用用于导航和/或定向功能的机载磁场传感器。
实用新型内容
[0003]包含磁性传感器的设备可以受到所谓“硬铁”和/或“软铁”干扰的不利影响。这些类型的干扰可以包括磁力计读取中的误差。公开了可以用于补偿硬铁以及软铁干扰的装置。
[0004]根据一些实施例，被配置为感测磁场的电子设备包括:磁力计，被配置为测量沿着至少一个轴线的外部磁场的至少一个值；以及至少一个处理器，被配置为从所述磁力计接收磁场数据并且计算椭圆体的至少一个参数，其中所述磁场数据由所述椭圆体表示。
[0005]优选地，进一步包括可视显示器，其中所述至少一个处理器进一步被配置为基于计算得到的至少一个参数来补偿所述外部磁场的至少一个测得的值并且使得在所述可视显示器上向所述设备的用户显示导航辅助。
[0006]优选地,其中所述导航辅助由罗盘航向表示。
[0007]优选地，其中所述至少一个处理器包括现场可编程门阵列。
[0008]优选地,其中所述至少一个参数包括所述椭圆体的中心相对于空间参照系的原点的位置。
[0009]优选地，其中所述空间参照系与所述设备对准。
[0010]优选地，其中所述至少一个处理器进一步被配置为确定偏移校准参数，以补偿所述椭圆体的所述中心的所述位置距所述空间参照系的所述原点的位移。
[0011]优选地，其中所述至少一个处理器进一步被配置为将所述偏移校准参数应用于从所述磁力计接收的测得的磁场数据。
[0012]优选地，其中所述至少一个参数包括所述椭圆体的半径。
[0013]优选地，其中所述至少一个处理器进一步被配置为确定恢复校准参数以补偿所述椭圆体的所述半径与球面的差值。
[0014]优选地，其中所述至少一个处理器进一步被配置为将所述恢复校准参数应用于从所述磁力计接收的测得的磁场数据。[0015]优选地，其中所述至少一个参数进一步包括所述半径的空间定向。
[0016]优选地，其中所述至少一个处理器被配置为通过计算系数矩阵的特征值来确定恢复校准参数，其中所述系数涉及表示所述椭圆体的方程。
[0017]以上实用新型内容借由说明提供并且并非意在限定。
[0018]与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果:可以使用由多个磁场测量产生的椭圆体表面来模拟硬铁干扰和软铁干扰。椭圆体与参照系之间的位移对应于硬铁或永磁场干扰。椭圆体的形状和定向对应于软铁磁场干扰。可以分析椭圆体表面以获得用于消除硬铁和软铁干扰的磁场补偿值
【专利附图】
【附图说明】
[0019]在附图中，示出在各个附图中的每个相同或者近似相同的部件由相同附图标记表示。为了清晰起见，并非每个部件都标注在每个附图中。
[0020]图1示出了可以包括至少一个磁力计并且被配置为感测外部磁场的设备的实施例。
[0021]图2进一步详细描绘了电子设备的实施例，其中可以实施用于减少硬铁和/或软铁干扰的补偿技术。
[0022]图3A至图3E描绘了根据一些实施例的硬铁干扰。
[0023]图3F描绘了根据一些实施例的硬铁和软铁干扰的组合。
[0024]图4描绘了根据一些实施例的用于补偿硬铁和软铁干扰的方法的步骤。
【具体实施方式】
[0025]诸如智能手机、个人数字助理、平板式计算机、小型平板计算机的便携式消费电子设备的功能特征近年来已增加，因为这些设备为用户提供更多服务。在已变得流行的这些特征之中，其中一个是导航辅助功能，例如罗盘航向指示器、位置定位器、路径追踪器等。在一些设备中，导航功能可以利用通过一个或多个磁性传感器得到的磁场读数。例如，磁力计可以用于感测局部地球磁场，并且确定电子设备相对于局部磁场的定向。
[0026]图1中示出了可以包括至少一个磁性传感器的电子设备100的一个示例。图1中所示设备例如可以是智能手机，并且包括可视显示器屏幕110和一个或多个推式控制按钮120。显示器屏幕可以被配置为触摸屏。电子电路装置、硬件、至少一个处理器、存储可在至少一个处理器上运行的机器可读指令的存储器、以及电源(例如可充电电池)可以位于外壳105内。设备100可以进一步包括无线通信电子设备、一个或多个运动传感器、GPS电路装置、和至少一个磁力计。
[0027]在一些实施方式中，电子设备100可以是包括至少一个磁力计的另一类型设备。例如，设备100可以是膝上型计算机、平板式计算机、个人数字助理、导航设备、手表、遥控器、游戏控制器等。在一些情形下，电子设备100可以没有显示器屏幕110并且可以是任何合适的形状。
[0028]现在参照图2，可以包括至少一个传感器280的电子设备100可以进一步包括至少一个处理器210a、210b以及相关硬件，如图2所描绘的那样。至少一个处理器可以被配置为控制并且提供用户交互以用于操作设备。至少一个处理器可以与存储器设备220a、220b组合使用。存储器可以包括任何类型和形式的RAM型存储器设备和ROM型存储器设备。存储器设备可以存储机器可读指令，机器可读指令可以加载到至少一个处理器上并且由至少一个处理器执行以具体使得至少一个处理器适合执行由机器可读指令定义的功能。当工作时，操作系统可以执行在至少一个处理器上，并且提供用户交互和电子设备100的操作，该操作可以包括在设备上运行多个软件应用和/或程序。
[0029]根据一些实施例，处理器210a、210b可以包括任何类型和形式的数据处理设备，例如微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路(ASIC)、和至少一个现场可编程门阵列(FPGA)的任何一个或者组合。在一些实施例中系统中可以具有多于一个处理器，例如双核或多核处理器，或者与至少一个控制处理器通信的多个处理器。在一些实施例中，一个或多个图像处理系统部件可以由专用FPGA或ASIC来实施。
[0030]电子设备可以进一步包括显示器240 (例如包括视频监视器、IXD显示器、等离子显示器、字母数字显示器、LED指示器等的任何一个或者组合)。在一些实施例中电子设备100可以进一步包括一个或多个输入/输出设备260(例如键盘、触摸板、按钮、开关、触摸屏、传声器、扬声器、打印机)，以及通信装置230 (例如网络软件、网卡或网板、无线收发器、和/或物理插座)。电子设备100可以包括设备驱动器，例如具体设计为在一个或多个处理器上执行并且使得处理器与系统部件通信并控制系统部件的软件模块。在一些实施例中，设备包括加密/解密硬件和/或软件270，可以用于加密所选择的输出数据传输并且解密输入的经加密的数据传输。电子设备100的部件可以在承载数据并且控制部件之间信号的总线205之上通信。总线可以提供系统扩展以包括图2中未示出的其它部件。
[0031]在一些实施例中，至少一个传感器280可以包括一个或多个磁力计，例如被配置为感测沿着至少一个轴线的磁场的集成电路设备。任何合适类型的磁性传感器可以用于一些实施方式中。在一些实施例中，磁力计感测沿着三个正交轴线的磁场并且产生表示沿着三个轴线的磁场的感测值的磁场数据。至少一个传感器280可以包括附加传感器，例如一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、光传感器阵列。
[0032]诸如图1所描绘的许多已封装设备可以包括展现所谓“硬铁”效应的一个或多个部件。可以通过一个或多个部件局部感应产生的永磁场Bd来描绘硬铁效应的特征。例如，磁场Bd可以由于位于设备100内的电动机部件和/或扬声器中的永磁性来产生。Bd的幅度和方向可以取决于已封装设备内的位置。在多个实施例中，邻近磁力计的局部场Bd附加至所感测的外部磁场或者与所感测的外部磁场例如地球磁场)干涉，并且除非补偿可能得到磁力计的不准确读数。
[0033]图3A至图3E描绘了用于检测和补偿由于设备100的一个或多个部件引起的永磁场1的方法。借由介绍，图3A和图3B描述了对于理想设备的磁场测量，其中理想设备不具有贡献磁场Bd的部件。在此情形下，设备100被配置为测量相对于预定义设备轴线Xd和Yd的外部磁场I。设备轴线Xd和Yd可以对准于设备100的优选方向(例如如附图中所描绘)，并且可以提供用于磁场测量的参照系。在一些实施方式中，轴线Xd和Yd以及Zd(图中未示出)可以通过三轴磁力计的轴线来定义，并且磁力计可以在优选方向上在设备内对准。由轴线(Xd，Yd，Zd)定义的坐标系可以随后提供用于磁场测量的参照系。设备100的用户可以关于用户定义的轴线Xu(右侧方向)、YU(向前方向)和Zu(向上方向)而定向。
[0034]采用如图3A所示定向设备100对Be的第一测量可以产生Be,xxd+Be,yyd的读数，其中Xd和yd是分别沿着设备的Xd和Yd轴线的单位矢量。值和表示沿着相应轴线的磁场分量的幅度。在该示例中，Be,x = 3而Be,y = 4。如果用户将设备旋转90度，如图3B所示，并且再次测量磁场，设备将返回Be = 4xd+3yd的值。如果进一步旋转设备并且做出多次测量并且相对于设备轴线绘图，得到的数据将由圆周310表示，如图3C中虚线圆周所示。尽管仅示出了两个维度，可以知晓的是在三维中测得的磁场数据将由球壳表示。球的半径表示外部磁场I |Be| I的幅度。如果没有由设备部件所贡献的任何磁场干扰，球中心将处于设备所用参照系的原点(0，0，0)，例如图3A和图3C中所示的(Xd，Yd，Zd)定义的，其中Zd由右手法则所定义。
[0035]图3D和图3E描绘了其中设备100的部件贡献干扰磁场Bd的情形。在该情形下，外部磁场Be与图3A和图3B中的相同。干扰磁场Bd被任意选择为指向Yd方向并且具有幅度2。如图3D所示定向设备100，设备当前错误地测量外部磁场为Be’ = 3xd+2yd。如图3E所示旋转设备，测得的外部磁场变成4xd-5yd。如果进一步旋转设备并且做出多次测量并且相对于设备轴线来绘图，得到的数据将描绘出其中心偏离原点的圆周312，如图3C中圆周312所描绘。由以上讨论可知，三维分析将产生其中心偏离原点的球壳。距原点的偏离表示干扰永磁场Bd的幅度和方向。
[0036]因此，当仅存在“硬铁”磁性干扰时，可以以任何合适的方式来旋转或者移动设备100，例如8字形图案、10相(?ο-phase)、或者交叉校准姿势，以便于收集足够的由球壳表示的磁场数据。可以分析数据以确定球壳的中心的位置。得到的固有干扰磁场的幅度和方向可以由壳中心的位置来确定，并且用于校准或者补偿后续磁性测量。在一些实施例中，幅度和方向可以用于确定一个或多个偏移校准参数，可以从后续磁性读数减去偏移校准参数以便获得测得的磁场的更精确值。
[0037]诸如图1所描绘的许多已封装设备可以包括展现出所谓“软铁”效应的一个或多个部件。软铁磁性干扰可以由具有诸如Fe/Ni/Cu的可磁化材料的部件引起。由于这些部件被外部场磁化，这些部件可以使邻近这些部件的外部磁场失真。失真量可以针对设备的每个定向而不同。例如，材料的磁导率μ可以是各向异性的。由于软铁干扰而引起局部磁场的非均匀失真，采用设备100来三维测量外部磁场可以产生其中心偏离原点的椭圆体壳330，如图3F所描绘。椭圆体壳可以在任何方向上定向。
[0038]对于下述分析而言，第二参照系定义为椭圆体。第二参照系被选择为使得其原点与椭圆体的中心重合，并且其轴线(x’s，Y’s，z’s)平行于设备轴线。(为了清晰，轴线乙和Z’s未在图中示出，但是可以根据右手法则推导。)
[0039]为了获得椭圆体壳330，可以在大量方向上以有序或者随意方式来旋转具有至少一个磁力计的设备100。可以记录由至少一个磁力计产生的磁场数据。记录的磁场数据可以由椭圆体壳或表面来表示，并且可以绘图、存储在存储器中、和/或发送以便由至少一个处理器来后续分析。 [0040]为了从硬铁和软铁效应去除磁性干扰，可以分析三维磁场数据以确定椭圆体的中心的位置、椭圆体的定向、以及椭圆体的半径I^r2和r3。一旦确定了这些值,可以使用它们来计算校准或补偿参数，校准或补偿参数有效地将测得的椭圆体转换为球壳，球壳位于由设备轴线(Xd，Yd，Zd)定义的设备参照系的原点处。一旦获得了校准参数，可以通过设备的处理器将它们应用于后续磁场测量以消除硬铁和软铁干扰的效应并且产生更精确的读数。[0041]确定校准或者补偿参数的一种方法包括数字地解椭圆体方程。借由阐释，并且并非意在将本实用新型限定于任何特定理论或特定步骤，可以数字地解用于椭圆体的一般方程。参照图3F,用于椭圆体330的一般方程可以表不如下:
[0042]
【权利要求】
1.一种被配置为感测磁场的电子设备，其特征在于，包括: 磁力计，被配置为测量沿着至少一个轴线的外部磁场的至少一个值；以及 至少一个处理器，被配置为从所述磁力计接收磁场数据并且计算椭圆体的至少一个参数，其中所述磁场数据由所述椭圆体表示。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括可视显示器，其中所述至少一个处理器进一步被配置为基于计算得到的至少一个参数来补偿所述外部磁场的至少一个测得的值并且使得在所述可视显示器上向所述设备的用户显示导航辅助。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，其中所述导航辅助由罗盘航向表示。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中所述至少一个处理器包括现场可编程门阵列。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中所述至少一个参数包括所述椭圆体的中心相对于空间参照系的原点的位置。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，其中所述空间参照系与所述设备对准。
7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，其中所述至少一个处理器进一步被配置为确定偏移校准参数，以补偿所述椭圆体的所述中心的所述位置距所述空间参照系的所述原点的位移。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，其中所述至少一个处理器进一步被配置为将所述偏移校准参数应用于从所述磁力计接收的测得的磁场数据。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中所述至少一个参数包括所述椭圆体的半径。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，其中所述至少一个处理器进一步被配置为确定恢复校准参数以补偿所述椭圆体的所述半径与球面的差值。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，其中所述至少一个处理器进一步被配置为将所述恢复校准参数应用于从所述磁力计接收的测得的磁场数据。
12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，其中所述至少一个参数进一步包括所述半径的空间定向。
13.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，其中所述至少一个处理器被配置为通过计算系数矩阵的特征值来确定恢复校准参数，其中所述系数涉及表示所述椭圆体的方程。
【文档编号】G01R33/02GK203587782SQ201320364666
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年6月20日 优先权日:2013年6月20日
【发明者】涂仲轩, 方舒 申请人:意法半导体(中国)投资有限公司