霍尔传感器编程器的设计-AET-电子技术应用

霍尔传感器编程器的设计

2014年微型机与应用第12期

董亮，曲波

苏州大学电子信息学院, 江苏苏州

摘要：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Allegro1675 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[1]。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。

关键词： STM32 霍尔传感器可编程微控制器

Abstract：

Key words :

　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

　　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Allegro1675 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[1]。

　　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Allegro1675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ASEK BOX编程器。此方案实现方法简单，稳定，灵活，有效解决了ASEK BOX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VCC、GND、TEST和OUT4个引脚。VCC既是供电电源的输入，也是传感器编程模式的接口[2]。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ARM Cortex-M3内核,最高时钟频率可达72 MHz，包括512 KB片内Flash、64 KB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[3]。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[4]，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。

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opa170之后得到编程所需的电压值。编程电压最高需要达到30 V，这里使用MIC2287将5 V电压转为32 V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转换器的注入型通道，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输出最小值在200 mV左右，因此，放大器的输出端无法输出0~3 V的电压。

　　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0.5 V，根据电路的反馈，可以得到：

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　　对式(1)带入R1、R2、R3、R4的值，得到Vout=18 Vdac-V0.5。所以当DAC输出的值为0.5 V时，放大器输出端可以输出为0 V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250 mA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。

　　(1)软件保护端：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1 A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开。此时,VCC给电容C4充电,当555定时器7脚升到2 VCC/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]。

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。

　　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，输入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入到Baseline 设置，连续输入6个Vpm脉冲使霍尔传感器进入到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，最后，输出一个宽脉冲烧断芯片内置的熔丝[6]。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。

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。