¿Cómo se usa correctamente la función de desmagnetización en el chip de brújula digital de 3 ejes HMC5883L?

Sé que este es un hilo viejo, pero lo encontré mientras intentaba resolver un problema con la brújula de mi cuadricóptero. Creo que la confusión acerca de "desmagnetizar" el HMC5883L proviene de lo que parecen ser dos funciones asociadas con el circuito de la correa/puente H. Una función es la autocomprobación en la que la correa/puente H genera 1,1 gauss en base a una corriente de 10 mA; la segunda función del circuito es impulsar una corriente mucho más alta para "desmagnetizar". Esta corriente proviene de un condensador externo (nominalmente 0,22 uf) y se supone que es bastante alta y de corta duración (tenga en cuenta en la hoja de datos el requisito de un condensador ESR bajo). También parece (aunque menos claro en la hoja de datos) que el sensor es "pulsado", luego leído y luego "restablecido pulsado" y lea nuevamente y las dos lecturas se restan para tener en cuenta el magnetismo residual y la deriva de temperatura. Eso implicaría que la acción de "desmagnetización" ocurre para todas y cada una de las lecturas. Esto parecería sugerir que no se puede ordenar a pedido, sino que ocurre automáticamente como parte de cada lectura. Lo que ahora me pregunto qué tan bien funciona realmente la función de desmagnetización interna si el chip está expuesto a campos muy altos y cuánto tiempo tarda (cuántos ciclos de lectura) en funcionar (suponiendo que comprenda correctamente la operación).

Por qué se llama desmagnetización...

La desmagnetización se considera tradicionalmente como un procedimiento de desmagnetización. Es apto aquí, pero hay que pensar en esa magnetización en términos de sus componentes superpuestos.

Considere este imán en un campo magnético:

Esto es lo que experimentan los elementos sensores en la tierra (u otro campo externo). La "medida" es en realidad la desviación de la aguja desde un punto de referencia conocido (el centro de la escala en este ejemplo) hasta un punto en la escala creada por la fuerza de los campos externos.

Si se aplica un campo externo constante (o desigual) a lo largo del tiempo, eventualmente el "resorte" perderá algo de fuerza restauradora (tensión). Si luego elimina la fuerza externa, la aguja no regresará completamente al centro.

En el caso de un dispositivo magnetorresistivo, el equivalente es un cambio en el vector de alineación magnética. El dominio de las partículas subatómicas se alinea con el campo de origen y cuando agrega un campo adicional, las partículas se alejan de este dominio alterando la resistencia eléctrica del dispositivo.

Sin embargo, al igual que el resorte mecánico, la exposición constante a largo plazo da como resultado una realineación gradual del dominio de origen y el sensor deja de ser capaz de detectar el campo externo como diferente de su referencia "original".

Para solucionar esto, hay bobinas de desmagnetización que proporcionan un fuerte impulso local (fuerza momentánea) para eliminar cualquiera de estas influencias externas y restablecer el dominio magnético a su alineación original, recalibrando así el transductor.

Entonces, en cierto sentido, está desmagnetizando el dispositivo... al volver a magnetizarlo a la orientación original y eliminar el exceso de magnetización.

Uso en aplicaciones magnetorresistivas

Para cualquier dispositivo específico, puede encontrar el procedimiento de activación real para las bobinas de desmagnetización en la hoja de datos. Por lo general, consta de dos líneas que se conducen en oposición para hacer correr la corriente en una dirección a través de la bobina, luego en la dirección inversa al cambiar la polaridad de las dos señales. A menudo hay un amplificador interno en la parte entre los pines de control y las bobinas reales para que las entradas puedan permanecer de manera segura en alta impedancia y no extraer demasiada corriente de lo que sea que esté impulsando los pines de control (microcontrolador típico) .

Las preguntas más difíciles son cuándo y con qué frecuencia realizar este procedimiento; ese es el núcleo de la pregunta y la fuente de la frustración del OP.

Las hojas de datos no incluyen respuestas a estas preguntas porque son específicas de la aplicación . Las operaciones de desmagnetización tienen un alto costo de energía e interferencia (EMC). Necesita desmagnetizar cuando su sensor pierde suficiente rendimiento como para afectar su aplicación.

El rendimiento es la combinación de sensibilidad y tolerancia. La velocidad a la que el sensor se desvía (pierde sensibilidad o agrega compensación) es una función del entorno (qué tan fuertes y desequilibrados son los campos externos). La cantidad de deriva (error) que considera tolerable es una función de su aplicación (qué tan profundo es el piso de ruido de su ADC, qué tan tolerantes a errores son sus algoritmos, etc.).

Si no tiene un evento externo disponible para usarlo como señal de advertencia de rendimiento reducido, la práctica común es simplemente reiniciar a intervalos regulares.

Aquí hay una nota de aplicación que explica la funcionalidad de configuración/reinicio: https://aerospace.honeywell.com/~/media/aerospace/files/application-note/an213_set_reset_function_of_magnetic_sensors.pdf

Profundizando en los detalles, este IC tiene bobinas reales de desmagnetización/calibración, que son más una tira que una bobina. Los procedimientos de calibración son los últimos párrafos. Esto se cita directamente de la hoja de datos que publicó.

HMC5883L

www.honeywell.com 9

FUNCIONAMIENTO BÁSICO DEL DISPOSITIVO

Sensores
magnetorresistivos anisotrópicos El circuito del sensor magnetorresistivo Honeywell HMC5883L es un trío de sensores y circuitos de soporte específicos de la aplicación para medir campos magnéticos. Con la fuente de alimentación aplicada, el sensor convierte cualquier campo magnético incidente en las direcciones del eje sensible en una salida de voltaje diferencial.

Los sensores magnetorresistivos están hechos de una película delgada de níquel-hierro (Permalloy) y están modelados como un elemento de tira resistiva. En presencia de un campo magnético, un cambio en los elementos resistivos del puente provoca un cambio correspondiente en el voltaje a través de las salidas del puente. Estos elementos resistivos están alineados para tener un eje sensible común (indicado por flechas en el diagrama de pines) que proporcionará un cambio de voltaje positivo con campos magnéticos que aumentan en la dirección sensible.

Debido a que la salida es solo proporcional al componente del campo magnético a lo largo de su eje, se colocan puentes de sensores adicionales en direcciones ortogonales para permitir una medición precisa del campo magnético en cualquier orientación.

Autotest

Para verificar que el HMC5883L funcione correctamente, se incorporó una función de autocomprobación en la que el sensor se excita internamente con un campo magnético nominal (en configuración de polarización positiva o negativa). Luego, este campo se mide y se informa. Esta función está habilitada y la polaridad es establecida por los bits MS[n] en el registro de configuración A.

Una fuente de corriente interna genera corriente continua (alrededor de 10 mA) desde el suministro de VDD. Esta corriente CC se aplica a las correas de compensación del sensor magnetorresistivo, lo que crea una polarización de campo magnético artificial en el sensor . La diferencia de esta medida y la medida del campo ambiental se pondrá en el registro de salida de datos para cada uno de los tres ejes.

Mediante el uso de esta función integrada, el fabricante puede verificar rápidamente la funcionalidad completa del sensor después del ensamblaje sin configuración de prueba adicional. Los resultados de la autocomprobación también se pueden utilizar para estimar/compensar la desviación de la sensibilidad del sensor debido a la temperatura. Para cada "medición de autocomprobación", el ASIC:
1. Envía un pulso de "Establecimiento"
2. Toma una medición (M1)
3. Envía la corriente de compensación (~10 mA) para generar el campo de compensación (~1,1 Gauss) y toma otra medida (M2)
4. Pone la diferencia de las dos medidas en el registro de salida de datos del sensor:

OPERACIÓN DE
AUTOPRUEBA Para verificar que el HMC5883L funcione correctamente, se incorporó una función de autoprueba en la que las correas de compensación del sensor se excitan para crear una intensidad de campo nominal (campo de polarización) para medir.

Para implementar la autocomprobación, los bits menos significativos (MS1 y MS0) del registro de configuración A se cambian de 00 a 01 (sesgo positivo) o 10 (sesgo negativo). Luego, colocando el registro de modo en modo de medición simple o continua, se realizarán dos ciclos de adquisición de datos en cada vector magnético. La primera adquisición será un pulso fijo seguido en breve por los datos de medición del campo externo.

La segunda adquisición tendrá la correa de compensación excitada (alrededor de 10 mA) en el modo de polarización positiva para los ejes X, Y y Z para crear un campo de autocomprobación de aproximadamente 1,1 gauss más el campo externo. Los primeros valores de adquisición se restarán de la segunda adquisición y la medición neta se colocará en los registros de salida de datos.

Dado que la autocomprobación agrega ~1,1 Gauss de campo adicional a la intensidad de campo existente, el uso de una configuración de ganancia reducida evita que el sensor se sature y los registros de datos se desborden. Por ejemplo, si el registro de configuración B se establece en 0xA0 (Ganancia = 5), los valores alrededor de +452 LSb (1,16 Ga * 390 LSb/Ga) se colocarán en los registros de salida de datos X e Y y alrededor de +421 (1,08 Ga * 390 LSb/Ga) se colocará en el registro de salida de datos Z.

Para salir del modo de autocomprobación, cambie los bits MS1 y MS0 del registro de configuración A de nuevo a 00 (Modo de medición normal). Los límites aceptables de los valores de autocomprobación dependen del ajuste de ganancia. Los límites para Ganancia=5 se proporcionan en la tabla de especificaciones.

A continuación se muestra un ejemplo de un proceso de "autocomprobación positiva" que utiliza el modo de medición continua:

1. Escriba CRA (00) – envíe 0x3C 0x00 0x71 (promedio de 8, 15 Hz predeterminado, medición de autocomprobación positiva)
   

2. Escribir CRB (01) – enviar 0x3C 0x01 0xA0 (Ganancia=5)
   

3. Modo de escritura (02): enviar 0x3C 0x02 0x00 (modo de medición continua)
   

4. Espere 6 ms o controle el registro de estado o pin de interrupción de hardware DRDY
   

5. Bucle Enviar 0x3D 0x06 (Lea los 6 bytes. Si se cambia la ganancia, entonces este conjunto de datos está usando la ganancia anterior) Convierta tres valores hexadecimales complementarios de 2 de 16 bits en valores decimales y asígnelos a X, Z, Y, respectivamente. Envíe 0x3C 0x03 (apunte al primer registro de datos 03) Espere alrededor de 67 ms (si la frecuencia es de 15 Hz) o controle el registro de estado o el pin de interrupción de hardware DRDY.

Fin_bucle

6. Verifique los límites: si los 3 ejes (X, Y y Z) están dentro de los límites razonables (243 a 575 para Ganancia = 5, ajuste estos límites según la configuración de ganancia utilizada. Vea un ejemplo a continuación). Luego, los 3 ejes pasan positivo autocomprobación Escriba CRA (00) – envíe 0x3C 0x00 0x70 (Salga del modo de autocomprobación y de este procedimiento) De lo contrario,
   si Ganancia<7 Escriba CRB (01) – envíe 0x3C 0x01 0x_0 (Aumente la configuración de ganancia y vuelva a intentarlo, omita el siguiente conjunto de datos)
   

De lo contrario Al menos un eje no superó la autocomprobación positiva.
Escribir CRA (00) – enviar 0x3C 0x00 0x70 (Salir del modo de autoprueba y este procedimiento)

End If
A continuación se muestra un ejemplo de cómo ajustar los límites de la "autoprueba positiva" en función de la configuración de ganancia:

1. Si Ganancia = 6, los límites de la autocomprobación son: Límite bajo = 243 * 330/390 = 206 Límite alto = 575 * 330/390 = 487
   

2. Si Ganancia = 7, los límites de la autocomprobación son: Límite bajo = 243 * 230/390 = 143 Límite alto = 575 * 230/390 = 339