赵丹
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：介绍了该传感器的特性，着重介绍了该传感器的编程方法以及利用ARM芯片STM32的软硬件设计方案。当编码协议发生改变时，只需对编码指令作少量修改，具有很强的灵活性。目前，该设计在产品中已得到实际应用。
关键词：STM32;霍尔传感器；可编程；微控制器；DAC;过流保护
0引言
随着电子技术的发展，霍尔传感器在精密测量、消费电子工业、医疗保健特别是汽车电子领域得到了出色应用。霍尔传感器是一种能实现磁电转换的传感器，可以将磁场信号转换为电压信号输出。本文使用的Allegrol675开关型霍尔传感器是一款零速齿轮传感器，该传感器采用了单一的霍尔元件IC,该IC可响应铁氧体目标产生的差分磁信号而进行开关操作，广泛用于转速、汽车电子等应用⑴。
在实际使用时，霍尔传感器在不同应用中往往实现不同的功能，这就要求根据不同的用途来进行相应的参数设定。因此，在此设计的可编程霍尔传感器可以对其磁场工作点、线性灵敏度等参数进行出厂后编程，来满足实际需要。
本文针对Allegrol675霍尔传感器，使用ST公司的STM32F103VET6微控制器，设计了一款传感器参数标定的编程器，以有效代替原有的ASEKBOX编程器。此方案实现方法简单，稳定，灵活，有效解决了ASEKBOX产能不足的问题，在工业中可以得到更加广泛的应用。
1 Allegro1675介绍
A1675共有Vocc、GNDD、TEST和0UT4个引脚。Vocc既是供电电源的输入，也是传感器编程模式的接口。OUT作为信号的输出脚。TEST作为编程后的测试接口。
2 控制芯片STM32F103VET6简介
控制器采用ST公司的STM32F103VET6作为控制芯片，基于ARMCortex-M3内核，zui高时钟频率可达72MHz，包括512KB片内Flash、64KB片内RAM、ADC、DAC、看门狗定时器、12位模/数转换器以及USART、CAN、USB接口等。该控制器具有丰富的外设，同时兼具低功耗以及高可靠性和可维护性,非常适合工业应用。
3 系统整体设计
系统结构如图1所示，该系统由PC上位机、STM32处理器、电压放大电路、电流保护电路、霍尔传感器等模块组成。PC上位机通过USB接口与编程器相连，实现上位机对编程器的指令控制以及软件的调试工作，该USB接口通过串口转换芯片FT232得到。
图1系统硬件框图
4 编程器硬件电路设计
4.1电压放大及反馈电路设计
此设计中，利用STM32的内置D/A转换器输出一个电压值，通过运放opal70之后得到编程所需的电压值。编程电压zui高需要达到30V,这里使用MIC2287将5V电压转为32V供运算放大器使用。为了使输出值达到要求范围内，使用STM32自带的A/D转换器的注人型通道，配合定时器以一定的采样频率对输出参数进行采样，配合程序中的电压调整算法，输出符合要求的电压值。具体电路如图2所示，受限于STM32本身原因，STM32的D/A输出zui小值在200mV左右，因此，放大器的输出端无法输出0~3V的电压。
图2电压放大反馈电路
为了消除误差，可以在放大器的反相端增加一个补偿电路，参考电压为0.5V，根据电路的反馈，可以得到：式一
式一
对式（1)带入R1、R2、R3、R4的值，得到Vocc=Vocc-V0.5。所以当DAC输出的值为0.5V时，放大器输出端可以输出为0V的值，避免了0~3V的限制。同时，利用精密电阻R5、R6将反馈电压送至ADC中检测，完成电压的自适应调整。
4.2电流放大及过流保护电路设计
传感器波形烧录过程中，会产生250mA的电流，所以此处使用了ZXGD3003A电流放大器。同时，在使用过程中，由于操作不当或者负载短路等情况的产生，会造成烧录器以及传感器的损伤，因此过流保护在电路设计中是非常重要的。本设计采用了软件保护与硬件保护双重措施，具体电路设计如图3所示。
图3电流放大及过流保护电路
(1)软件保护端端INA193为电流监控器，OUT脚为20倍放大R12口两端的电压。将处理器STM32的ADC设置为规则组通道以及连续转换模式，通过ADC不断扫描INA193的1脚电压值来监测实时电流。同时，软件端启用STM32的看门狗功能，当采样值大于预设阈值，则触发看门狗中断，启动软件保护，将PT1端置高，FDN36P截止，实现由软件断开电源，停止对烧录芯片供电。
(2)硬件保护端：电压跟随器、比较器以及555构成单稳态触发器。当INA193检测到电流超过1A时，比较器输出低电平，触发单稳态，此时555输出端由低电平跳变为高电平，电路由稳态转为暂稳态，FDN36P截止，霍尔传感器与电路断幵。此时，Vocc给电容C4充电，当555定时器7脚升到2Vocc/3时，555输出端由高电平跳变低电平，FDN36P导通，电路继续供电,如果此时INA193检测电流依然过大,则再次触发定时器，断开电路。这样形成了一个反复尝试导通的过程，直至电路电流正常。这种硬件电路反应时间快，可以有效保护电路。
5 可编程技术
这种可编程传感器通过在Vcc端施加不同幅度和宽度的脉冲来对应不同代码的编程动作，实现对传感器参数的编程调整。在编程过程中，分别设定3个不同的电压进行编码设置，分别是高电压VPH中电压VPM和低电压VPL如图4所示。图中td（1）、td（0）分别为高、低电压脉冲时间，根据编写代码位的不同，烧断熔丝时间td（p）x设置也不相同。短冲的作用是区分不同的编程代码位；长脉冲的作用是烧断熔丝，完成锁定。
图4脉冲相对幅度和持续时间
霍尔传感器编程有以下3个步骤：开启编程模式、设置工作点、设置锁定位。如图5(a)所示，在编程模式开启阶段，输人有序脉冲至传感器电源端使霍尔传感器设置到编程模式，输入连续7个VPM脉冲序列使霍尔传感器进人到Baseline设置，连续输人6个VPM脉冲使霍尔传感器进人到TPOS设置。图5(b)中，工作点编程设置阶段，根据需要在要求的磁场点进行编程。编程的过程中，根据器件的实际用途和各项性能参数指标分别编程，精确调整磁场的工作点位置。图5(c)为锁定位设置阶段，施加128个连续的锁定脉冲，zui后，输出一个宽脉冲烧断芯片内置的熔丝。此时，所有寄存器将被锁定，传感器不再响应供电电压的调制，这样就确保了设置的参数不再改变。以上3个过程实现了对产品参数的编程锁定。
图5
6 软件设计
STM32控制程序通过C语言编写，主要通过DAC的输出以及ADC的检测完成各种电源输出的设置。一方面DAC根据发送命令不断输出电压；另一方面ADC不断检测输出电压，然后根据电压调整算法不断调整DAC输出的值。根据霍尔传感器A1675的波形烧录要求，完成各项波形的设置以及烧写。主程序流程图如图6所示。
图6软件流程图
7 安科瑞霍尔传感器产品选型
7.1产品介绍
霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受，响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强。适用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器，UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制。
7.2产品选型
7.2.1开口式开环霍尔电流传感器
|
型号
|
额定电流
|
供电电源
|
额定输出
|
测量孔径(mm)
|
准确度
|
|
AHKC-EKA
|
0～(20-500)A
|
±15V
|
5V
|
φ20
|
1级
|
|
AHKC-EKAA
|
DC0～(50-500)A
|
12V/24V
|
4～20mA
|
φ20
|
1级
|
|
AHKC-EKDA
|
AC0～(50-500)A
|
12V/24V
|
4～20mA
|
φ20
|
1级
|
|
AHKC-EKB
|
0～(50-1000)A
|
±15V
|
5V
|
φ40
|
1级
|
|
AHKC-EKBA
|
DC0～(50-1000)A
|
12V/24V
|
4～20mA
|
φ40
|
1级
|
|
AHKC-EKBDA
|
AC0～(50～1000)A
|
12V/24V
|
4～20mA
|
φ40
|
1级
|
|
AHKC-EKC
|
0～(50-1500)A
|
±15V
|
5V
|
φ60
|
1级
|
|
AHKC-EKCA
|
DC0～(50-1500)A
|
12V/24V
|
4～20mA
|
φ20
|
1级
|
|
AHKC-EKCDA
|
AC0～(50-1500)A
|
12V/24V
|
4～20mA
|
φ20
|
1级
|
|
AHKC-K
|
0～(400-2000)A
|
±15V
|
5V
|
64×16
|
1级
|
|
AHKC-KAA
|
DC0～(400-2000)A
|
12V/24V
|
4～20mA
|
64×16
|
1级
|
|
AHKC-KDA
|
AC0～(400-2000)A
|
12V/24V
|
4～20mA
|
64×16
|
1级
|
|
AHKC-H
|
0～(500-3000)A
|
±15V
|
5V
|
82×32
|
1级
|
|
AHKC-KA
|
0～(500-5000)A
|
±15V
|
5V
|
104×36
|
1级
|
|
AHKC-HB
|
0～(2000-20000)A
|
±15V
|
5V
|
132×52
|
1级
|
|
AHKC-HBAA
|
DC0～(2000-20000)A
|
12V/24V
|
4～20mA
|
132×52
|
1级
|
|
AHKC-HBDA
|
AC0～(2000-20000)A
|
12V/24V
|
4～20mA
|
132×52
|
1级
|
表1
7.2.2闭口式开环霍尔电流传感器
|
型号
|
额定电流
|
供电电源
|
额定输出
|
测量孔径(mm)
|
准确度
|
|
AHKC-E
|
0～(20-500)A
|
±15V
|
4V/5V
|
φ20
|
1级
|
|
AHKC-LT
|
0～(100-800)A
|
±15V
|
4V/5V
|
φ32.5
|
1级
|
|
AHKC-EA
|
0～(200-2000)A
|
±15V
|
4V/5V
|
Φ40
|
1级
|
|
AHKC-EB
|
0～(200-2000)A
|
±15V
|
4V/5V
|
Φ60
|
1级
|
|
AHKC-BS
|
0～(20-500)A
|
±15V
|
4V/5V
|
20.5*10.5
|
1级
|
|
AHKC-BSA
|
DC0～(50-500)A
|
12V/15V/24V
|
4～20mA
|
20.5*10.5
|
1级
|
|
AHKC-C
|
DC0～(100-800)A
|
±15V
|
4V/5V
|
31*13
|
1级
|
|
AHKC-F
|
0～(200-1000)A
|
±15V
|
4V/5V
|
43*13
|
1级
|
|
AHKC-FA
|
0～(200-1500)A
|
±15V
|
4V/5V
|
52*15
|
1级
|
|
AHKC-HAT
|
0～(400-2000)A
|
±15V
|
4V/5V
|
52*32
|
1级
|
表2
7.2.3闭环霍尔电流传感器
|
型号
|
额定电流
|
供电电源
|
额定输出
|
测量孔径(mm)
|
准确度
|
|
AHBC-LTA
|
0~(100～300)A
|
±15V
|
50mA/100mA
|
φ20
|
0.5级
|
|
AHBC-LT1005
|
0~1000A
|
±15V
|
200mA
|
/
|
0.5级
|
|
AHBC-LF
|
0~2000A
|
±15V
|
400mA
|
/
|
0.5级
|
表3
7.2.4直流漏电流传感器
|
型号
|
额定电流
|
供电电源
|
额定输出
|
测量孔径(mm)
|
准确度
|
|
AHLC-LTA
|
DC0~(10mA～2A)
|
±15V
|
5V
|
φ20
|
1级
|
|
AHLC-EA
|
DC0~(10mA～2A)
|
±15V
|
5V
|
φ40
|
1级
|
|
AHLC-EB
|
DC0~(10mA～2A)
|
±15V
|
5V
|
φ60
|
1级
|
表4
8 结束语
该设计方案完成了对霍尔传感器的编程器的软硬件设计。系统包含了电压的预设、采样、校准以及输出保护电路，成功完成了对霍尔传感器的编程烧写。目前，本设计方案已成功实现霍尔传感器在位置检测以及速度检测等方面的应用。
【参考文献】
-
单祥茹.基础元件介绍－－－－传感器（三:t[J].中国电子商情(基础电子)，2011(12):81-82.
[2] 董亮、曲波.霍尔传感器编程器的设计.
作者简介：赵丹，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事隔离式安全栅研究发展
