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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Vocc、GNDD、TEST和0UT4個(gè)引腳。Vocc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Vocc=Vocc-V0.5。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)楦唠娖剑娐酚煞€(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),Vocc給電容C4充電,當(dāng)555定時(shí)器7腳升到2Vocc/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VPH中電壓VPM和低電壓VPL如圖4所示。圖中td(1)、td(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td(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)VPM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)VPM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
型號(hào) | 額定電流 | 供電電源 | 額定輸出 | 測(cè)量孔徑(mm) | 準(zhǔn)確度 |
AHKC-EKA | 0~(20-500)A | ±15V | 5V | φ20 | 1級(jí) |
AHKC-EKAA | DC0~(50-500)A | 12V/24V | 4~20mA | φ20 | 1級(jí) |
AHKC-EKDA | AC0~(50-500)A | 12V/24V | 4~20mA | φ20 | 1級(jí) |
AHKC-EKB | 0~(50-1000)A | ±15V | 5V | φ40 | 1級(jí) |
AHKC-EKBA | DC0~(50-1000)A | 12V/24V | 4~20mA | φ40 | 1級(jí) |
AHKC-EKBDA | AC0~(50~1000)A | 12V/24V | 4~20mA | φ40 | 1級(jí) |
AHKC-EKC | 0~(50-1500)A | ±15V | 5V | φ60 | 1級(jí) |
AHKC-EKCA | DC0~(50-1500)A | 12V/24V | 4~20mA | φ20 | 1級(jí) |
AHKC-EKCDA | AC0~(50-1500)A | 12V/24V | 4~20mA | φ20 | 1級(jí) |
AHKC-K | 0~(400-2000)A | ±15V | 5V | 64×16 | 1級(jí) |
AHKC-KAA | DC0~(400-2000)A | 12V/24V | 4~20mA | 64×16 | 1級(jí) |
AHKC-KDA | AC0~(400-2000)A | 12V/24V | 4~20mA | 64×16 | 1級(jí) |
AHKC-H | 0~(500-3000)A | ±15V | 5V | 82×32 | 1級(jí) |
AHKC-KA | 0~(500-5000)A | ±15V | 5V | 104×36 | 1級(jí) |
AHKC-HB | 0~(2000-20000)A | ±15V | 5V | 132×52 | 1級(jí) |
AHKC-HBAA | DC0~(2000-20000)A | 12V/24V | 4~20mA | 132×52 | 1級(jí) |
AHKC-HBDA | AC0~(2000-20000)A | 12V/24V | 4~20mA | 132×52 | 1級(jí) |
表1
7.2.2閉口式開環(huán)霍爾電流傳感器
型號(hào) | 額定電流 | 供電電源 | 額定輸出 | 測(cè)量孔徑(mm) | 準(zhǔn)確度 |
AHKC-E | 0~(20-500)A | ±15V | 4V/5V | φ20 | 1級(jí) |
AHKC-LT | 0~(100-800)A | ±15V | 4V/5V | φ32.5 | 1級(jí) |
AHKC-EA | 0~(200-2000)A | ±15V | 4V/5V | Φ40 | 1級(jí) |
AHKC-EB | 0~(200-2000)A | ±15V | 4V/5V | Φ60 | 1級(jí) |
AHKC-BS | 0~(20-500)A | ±15V | 4V/5V | 20.5*10.5 | 1級(jí) |
AHKC-BSA | DC0~(50-500)A | 12V/15V/24V | 4~20mA | 20.5*10.5 | 1級(jí) |
AHKC-C | DC0~(100-800)A | ±15V | 4V/5V | 31*13 | 1級(jí) |
AHKC-F | 0~(200-1000)A | ±15V | 4V/5V | 43*13 | 1級(jí) |
AHKC-FA | 0~(200-1500)A | ±15V | 4V/5V | 52*15 | 1級(jí) |
AHKC-HAT | 0~(400-2000)A | ±15V | 4V/5V | 52*32 | 1級(jí) |
表2
7.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器
型號(hào) | 額定電流 | 供電電源 | 額定輸出 | 測(cè)量孔徑(mm) | 準(zhǔn)確度 |
AHBC-LTA | 0~(100~300)A | ±15V | 50mA/100mA | φ20 | 0.5級(jí) |
AHBC-LT1005 | 0~1000A | ±15V | 200mA | / | 0.5級(jí) |
AHBC-LF | 0~2000A | ±15V | 400mA | / | 0.5級(jí) |
表3
7.2.4直流漏電流傳感器
型號(hào) | 額定電流 | 供電電源 | 額定輸出 | 測(cè)量孔徑(mm) | 準(zhǔn)確度 |
AHLC-LTA | DC0~(10mA~2A) | ±15V | 5V | φ20 | 1級(jí) |
AHLC-EA | DC0~(10mA~2A) | ±15V | 5V | φ40 | 1級(jí) |
AHLC-EB | DC0~(10mA~2A) | ±15V | 5V | φ60 | 1級(jí) |
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)】
[2] 董亮、曲波.霍爾傳感器編程器的設(shè)計(jì).
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