霍爾傳感器編程器的選型與設(shè)計(jì)

 劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：介紹了該傳感器的特性，著重介紹了該傳感器的編程方法以及利用ARM芯片STM32的軟硬件設(shè)計(jì)方案。當(dāng)編碼協(xié)議發(fā)生改變時(shí)，只需對(duì)編碼指令作少量修改，具有很強(qiáng)的靈活性。目前，該設(shè)計(jì)在產(chǎn)品中已得到實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：STM32;霍爾傳感器；可編程；微控制器；DAC;過流保護(hù)

0引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，霍爾傳感器在測(cè)量、消費(fèi)電子工業(yè)、保健特別是汽車電子領(lǐng)域得到了出色應(yīng)用。霍爾傳感器是種能實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的傳感器，可以將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。本文使用的Allegrol675開關(guān)型霍爾傳感器是款速齒輪傳感器，該傳感器采用了單的霍爾元件IC,該IC可響應(yīng)鐵氧體目標(biāo)產(chǎn)生的差分磁信號(hào)而進(jìn)行開關(guān)操作，廣泛用于轉(zhuǎn)速、汽車電子等應(yīng)用^⑴。

在實(shí)際使用時(shí)，霍爾傳感器在不同應(yīng)用中往往實(shí)現(xiàn)不同的功能，這就要求根據(jù)不同的用途來進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定。因此，在此設(shè)計(jì)的可編程霍爾傳感器可以對(duì)其磁場(chǎng)工作點(diǎn)、線性靈敏度等參數(shù)進(jìn)行出廠后編程，來滿足實(shí)際需要。

本文針對(duì)Allegrol675霍爾傳感器，使用ST公司的STM32F103VET6微控制器，設(shè)計(jì)了款傳感器參數(shù)標(biāo)定的編程器，以有效代替原有的ASEKBOX編程器。此方案實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，穩(wěn)定，靈活，有效解決了ASEKBOX產(chǎn)能不足的問題，在工業(yè)中可以得到更加廣泛的應(yīng)用。

1 Allegro1675介紹

A1675共有V_occ、GNDD、TEST和0UT4個(gè)引腳。V_occ既是供電電源的輸入，也是傳感器編程模式的接口。OUT作為信號(hào)的輸出腳。TEST作為編程后的測(cè)試接口。

2 控制芯片STM32F103VET6簡(jiǎn)介

控制器采用ST公司的STM32F103VET6作為控制芯片，基于ARMCortex-M3內(nèi)核，zui高時(shí)鐘頻率可達(dá)72MHz，包括512KB片內(nèi)Flash、64KB片內(nèi)RAM、ADC、DAC、看門狗定時(shí)器、12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器以及USART、CAN、USB接口等。該控制器具有豐富的外設(shè)，同時(shí)兼具低功耗以及高可靠性和可維護(hù)性,非常適合工業(yè)應(yīng)用。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)由PC上位機(jī)、STM32處理器、電壓放大電路、電流保護(hù)電路、霍爾傳感器等模塊組成。PC上位機(jī)通過USB接口與編程器相連，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)編程器的指令控制以及軟件的調(diào)試工作，該USB接口通過串口轉(zhuǎn)換芯片F(xiàn)T232得到。

圖1系統(tǒng)硬件框圖

4 編程器硬件電路設(shè)計(jì)

4.1電壓放大及反饋電路設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)中，利用STM32的內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出個(gè)電壓值，通過運(yùn)放opal70之后得到編程所需的電壓值。編程電壓zui高需要達(dá)到30V,這里使用MIC2287將5V電壓轉(zhuǎn)為32V供運(yùn)算放大器使用。為了使輸出值達(dá)到要求范圍內(nèi)，使用STM32自帶的A/D轉(zhuǎn)換器的注人型通道，配合定時(shí)器以定的采樣頻率對(duì)輸出參數(shù)進(jìn)行采樣，配合程序中的電壓調(diào)整算法，輸出符合要求的電壓值。具體電路如圖2所示，受限于STM32本身原因，STM32的D/A輸出zui小值在200mV左右，因此，放大器的輸出端無法輸出0~3V的電壓。

圖2電壓放大反饋電路

為了誤差，可以在放大器的反相端增加個(gè)補(bǔ)償電路，參考電壓為0.5V，根據(jù)電路的反饋，可以得到：式

式

對(duì)式（1)帶入R1、R2、R3、R4的值，得到V_occ=V_occ-V_0.5。所以當(dāng)DAC輸出的值為0.5V時(shí)，放大器輸出端可以輸出為0V的值，避免了0~3V的限制。同時(shí)，利用電阻R5、R6將反饋電壓送至ADC中檢測(cè)，完成電壓的自適應(yīng)調(diào)整。

4.2電流放大及過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

傳感器波形燒錄過程中，會(huì)產(chǎn)生250mA的電流，所以此處使用了ZXGD3003A電流放大器。同時(shí)，在使用過程中，由于操作不當(dāng)或者負(fù)載短路等情況的產(chǎn)生，會(huì)造成燒錄器以及傳感器的損傷，因此過流保護(hù)在電路設(shè)計(jì)中是非常重要的。本設(shè)計(jì)采用了軟件保護(hù)與硬件保護(hù)雙重措施，具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3電流放大及過流保護(hù)電路

(1)軟件保護(hù)端端INA193為電流監(jiān)控器，OUT腳為20倍放大R12口兩端的電壓。將處理器STM32的ADC設(shè)置為規(guī)則組通道以及連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，通過ADC不斷掃描INA193的1腳電壓值來監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)電流。同時(shí)，軟件端啟用STM32的看門狗功能，當(dāng)采樣值大于預(yù)設(shè)閾值，則觸發(fā)看門狗中斷，啟動(dòng)軟件保護(hù)，將PT1端置高，F(xiàn)DN36P截止，實(shí)現(xiàn)由軟件斷開電源，停止對(duì)燒錄芯片供電。

(2)硬件保護(hù)端：電壓跟隨器、比較器以及555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。當(dāng)INA193檢測(cè)到電流超過1A時(shí)，比較器輸出低電平，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)，此時(shí)555輸出端由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)為暫穩(wěn)態(tài)，F(xiàn)DN36P截止，霍爾傳感器與電路斷幵。此時(shí)，V_occ給電容C4充電，當(dāng)555定時(shí)器7腳升到2V_occ/3時(shí)，555輸出端由高電平跳變低電平，F(xiàn)DN36P導(dǎo)通，電路繼續(xù)供電,如果此時(shí)INA193檢測(cè)電流依然過大,則再次觸發(fā)定時(shí)器，斷開電路。這樣形成了個(gè)反復(fù)嘗試導(dǎo)通的過程，直至電路電流正常。這種硬件電路反應(yīng)時(shí)間快，可以有效保護(hù)電路。

5 可編程技術(shù)

這種可編程傳感器通過在Vcc端施加不同幅度和寬度的脈沖來對(duì)應(yīng)不同代碼的編程動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器參數(shù)的編程調(diào)整。在編程過程中，分別設(shè)定3個(gè)不同的電壓進(jìn)行編碼設(shè)置，分別是高電壓V_PH中電壓V_PM和低電壓V_PL如圖4所示。圖中t_d（1）、t_d（0）分別為高、低電壓脈沖時(shí)間，根據(jù)編寫代碼位的不同，燒斷熔絲時(shí)間t_d（p）x設(shè)置也不相同。短沖的作用是區(qū)分不同的編程代碼位；長(zhǎng)脈沖的作用是燒斷熔絲，完成鎖定。

圖4脈沖相對(duì)幅度和持續(xù)時(shí)間

霍爾傳感器編程有以下3個(gè)步驟：開啟編程模式、設(shè)置工作點(diǎn)、設(shè)置鎖定位。如圖5(a)所示，在編程模式開啟階段，輸人有序脈沖至傳感器電源端使霍爾傳感器設(shè)置到編程模式，輸入連續(xù)7個(gè)V_PM脈沖序列使霍爾傳感器進(jìn)人到Baseline設(shè)置，連續(xù)輸人6個(gè)V_PM脈沖使霍爾傳感器進(jìn)人到TPOS設(shè)置。圖5(b)中，工作點(diǎn)編程設(shè)置階段，根據(jù)需要在要求的磁場(chǎng)點(diǎn)進(jìn)行編程。編程的過程中，根據(jù)器件的實(shí)際用途和各項(xiàng)性能參數(shù)指標(biāo)分別編程，精確調(diào)整磁場(chǎng)的工作點(diǎn)位置。圖5(c)為鎖定位設(shè)置階段，施加128個(gè)連續(xù)的鎖定脈沖，zui后，輸出個(gè)寬脈沖燒斷芯片內(nèi)置的熔絲。此時(shí)，所有寄存器將被鎖定，傳感器不再響應(yīng)供電電壓的調(diào)制，這樣就確保了設(shè)置的參數(shù)不再改變。以上3個(gè)過程實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品參數(shù)的編程鎖定。

圖5

6 軟件設(shè)計(jì)

STM32控制程序通過C語言編寫，主要通過DAC的輸出以及ADC的檢測(cè)完成各種電源輸出的設(shè)置。方面DAC根據(jù)發(fā)送命令不斷輸出電壓；另方面ADC不斷檢測(cè)輸出電壓，然后根據(jù)電壓調(diào)整算法不斷調(diào)整DAC輸出的值。根據(jù)霍爾傳感器A1675的波形燒錄要求，完成各項(xiàng)波形的設(shè)置以及燒寫。主程序流程圖如圖6所示。

圖6軟件流程圖

7 安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型

7.1產(chǎn)品介紹

霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號(hào)能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應(yīng)時(shí)間快，電流測(cè)量范圍寬精度高，過載能力強(qiáng)，線性好，抗干擾能力強(qiáng)。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號(hào)采集和反饋控制。

7.2產(chǎn)品選型

7.2.1開口式開環(huán)霍爾電流傳感器

表1

7.2.2閉口式開環(huán)霍爾電流傳感器

表2

7.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器

表3

7.2.4直流漏電流傳感器

表4

8 結(jié)束語

該設(shè)計(jì)方案完成了對(duì)霍爾傳感器的編程器的軟硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)包含了電壓的預(yù)設(shè)、采樣、校準(zhǔn)以及輸出保護(hù)電路，成功完成了對(duì)霍爾傳感器的編程燒寫。目前，本設(shè)計(jì)方案已成功實(shí)現(xiàn)霍爾傳感器在位置檢測(cè)以及速度檢測(cè)等方面的應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

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• 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2020.06版.

作者簡(jiǎn)介：劉細(xì)鳳，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事隔離式柵研究發(fā)展