前言

Allegro A31315是一款多軸霍爾效應(yīng)傳感器，憑借先進(jìn)的集成信號(hào)處理能力簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的諸多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，這款先進(jìn)線性傳感器還通過(guò)兩條先進(jìn)線性霍爾傳感通道無(wú)縫集成至信號(hào)處理鏈路，可提供：

獨(dú)立的傳感器增益值和偏移量調(diào)整

兩點(diǎn)編程

四種輸出線性化模式

帶翻轉(zhuǎn)控制的復(fù)雜信號(hào)調(diào)理

16位輸出/結(jié)果寄存器

這些功能可以根據(jù)客戶的應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化配置，為眾多應(yīng)用及其挑戰(zhàn)提供廣泛的解決方案。

許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)是如何使傳感器適應(yīng)其應(yīng)用的磁性要求。當(dāng)許多其他傳感器受到限制并且僅提供“最接近適配”時(shí)，A31315的信號(hào)處理模塊使設(shè)計(jì)人員能夠調(diào)整傳感器以適配系統(tǒng)的機(jī)械性及磁性約束。

本文將使用現(xiàn)成的磁靶SuperMagnetMan(料號(hào)C0255) 來(lái)簡(jiǎn)要演示A31315的行為特征/性能和優(yōu)勢(shì)。該磁靶是一個(gè)1/4英寸的N40釹鐵硼材料正方體，但許多其它尺寸和材料的磁靶也是可接受的，只要達(dá)到±300G峰值的最小磁場(chǎng)范圍。該磁靶將用于演示其在側(cè)向滑移運(yùn)動(dòng)應(yīng)用的能力，正如制動(dòng)或加速踏板中可能用到的那樣。

本應(yīng)用指南作以下假設(shè)：

讀者熟悉A31315的編程軟件環(huán)境

讀者熟悉兩點(diǎn)編程和線性化的概念

用戶可以通過(guò)編程軟件和適當(dāng)?shù)木幊逃布ㄍǔＪ茿SEK20）與A31315進(jìn)行通信

1初步工作

在應(yīng)對(duì)特定應(yīng)用的挑戰(zhàn)之前，最好先了解將要面臨的傳感挑戰(zhàn)的性質(zhì)。本指南末尾提供的圖15應(yīng)作為參考，以了解傳感應(yīng)用中通常存在的問(wèn)題。在評(píng)估圖15時(shí)，請(qǐng)記住輸入波形的特定屬性，以便知道要查看什么。

快速調(diào)節(jié)傳感器以適應(yīng)系統(tǒng)的第一步是獲取霍爾傳感器輸出的基線讀數(shù)。這一步是最重要的，因?yàn)檩斎胩匦詫?duì)輸出信號(hào)質(zhì)量的有效性影響最大。

圖 1：C0255磁鐵在30mm行程上所檢測(cè)的磁場(chǎng)

將圖1所示的測(cè)量信號(hào)與本文檔末尾的圖15進(jìn)行比較時(shí)，它與兩個(gè)輸入通道不匹配和/或行程過(guò)長(zhǎng)的輸入情況相符。對(duì)于A31315，用戶可以選擇通過(guò)以下寄存器調(diào)整系統(tǒng)增益參數(shù)：

Sens_c_a – 通道A的粗調(diào)靈敏度調(diào)整

Sens_c_b – 通道B的粗調(diào)靈敏度調(diào)整

圖 2：A31315軟件中的靈敏度調(diào)整寄存器

A31315還提供有助于使被測(cè)信號(hào)居中的偏移量寄存器：

Offs_c_a – 通道A的偏移量調(diào)整

Offs_c_b – 通道B的偏移量調(diào)整

圖3：A31315軟件中的偏移量調(diào)整寄存器

調(diào)整這些寄存器時(shí)，目的是使輸入信號(hào)最接近正弦和余弦信號(hào)。匹配度越高，輸出響應(yīng)就越 “自然線性”。對(duì)于圖1所示的行程，本例選擇的行程范圍為-3mm到+3mm。

圖4：±3mm行程內(nèi)所感應(yīng)磁場(chǎng)的局部放大圖

在這種情況下，通道B將通過(guò)偏移校正受益：

CH_B: +50G

調(diào)整增益和偏移量的目的，是將感應(yīng)信號(hào)校正為盡可能接近正弦和余弦形狀。

圖5：增益值和偏移量校正后的真實(shí)信號(hào)及其對(duì)應(yīng)的理想信號(hào)

圖6：輸出信號(hào)與預(yù)期輸出，負(fù)計(jì)數(shù)于翻轉(zhuǎn)處處理

信號(hào)中的非理想性（圖5）導(dǎo)致報(bào)告位置非線性。輸出減小，甚至未達(dá)到一半（計(jì)數(shù)為32768），這可以通過(guò)行程中缺乏完整的360°正弦/余弦感應(yīng)磁場(chǎng)來(lái)解釋。這種范圍上的限制可以通過(guò)兩點(diǎn)編程進(jìn)行校正。非線性可以通過(guò)多功能的線性化引擎進(jìn)一步解決，最多可進(jìn)行33點(diǎn)校正。

使用兩點(diǎn)編程（有時(shí)稱為短行程），初始數(shù)據(jù)點(diǎn)被移動(dòng)到計(jì)數(shù)為0點(diǎn)附近，而最終數(shù)據(jù)點(diǎn)經(jīng)增益補(bǔ)償被移到大約計(jì)數(shù)值65535（16位）處。有兩種方法可以在兩點(diǎn)編程塊中對(duì)系數(shù)和偏移量編程：

通過(guò)寄存器操作：

- Angle_gain

- Pre_gain_offset

通過(guò) Samples 編程軟件半自動(dòng)操作

寄存器操作

通過(guò)寄存器操作進(jìn)行調(diào)整非常簡(jiǎn)單，并且可以輕松手算。該區(qū)塊的相關(guān)寄存器可在EEPROM選項(xiàng)卡中的“短行程”下拉菜單中找到。

圖7：兩點(diǎn)編程的寄存器組選擇

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，重點(diǎn)寄存器是：

pre_gain_offset：為起始值添加一個(gè)偏移量，通常是一個(gè)大小可調(diào)的值，將起始點(diǎn)推到零。值范圍從0到32767。

angle_gain：對(duì)已上報(bào)出的輸出值應(yīng)用一個(gè)增益值?！敖嵌取笔切D(zhuǎn)應(yīng)用的典型術(shù)語(yǔ)，但也適用于線性應(yīng)用。值范圍從0到65535，增益為1與計(jì)數(shù)為1024等效。

對(duì)于線性應(yīng)用，術(shù)語(yǔ)必須保持一致。軟件將值表示為影響性的角度；然而，該術(shù)語(yǔ)僅用于給出輸出寄存器從0到65535范圍的參考。對(duì)于pre_gain_offset，此寄存器將偏移量添加到從A31315內(nèi)部CORDIC引擎給出的輸出中；如果輸出結(jié)果超出16位寄存器寬度，則凈效果是輸出翻轉(zhuǎn)。這對(duì)于將起始點(diǎn)歸零特別有用。

圖6恰好從零開(kāi)始，但可以假設(shè)起始點(diǎn)位于計(jì)數(shù)為2458處，將初始點(diǎn)設(shè)置為零只需添加一個(gè)偏移量以強(qiáng)制結(jié)果等于65536：

偏移量 = 65536 – 起始點(diǎn)計(jì)數(shù)

偏移量 = 65536 – 2458

偏移量 = 63078

在圖8中，報(bào)出的最大位置是計(jì)數(shù)為32770的輸出位置。角度增益可以輕松校正此問(wèn)題：

angle_gain = 期望輸出 / 實(shí)際輸出

angle_gain = 65535 / 32770

angle_gain = 1.999 (2)

圖8：應(yīng)用增益后的新輸出

使用短行程工具

圖9：短行程選項(xiàng)卡

在Samples軟件中，可以跳過(guò)手工計(jì)算，并使用短行程選項(xiàng)卡即可快速執(zhí)行此步驟。

在這里，系統(tǒng)必須先被設(shè)置為最小位置，用戶只需按下“設(shè)置位置1”。軟件將問(wèn)詢A31315并執(zhí)行初步計(jì)算。完成后，再將系統(tǒng)移動(dòng)到最終位置并單擊“設(shè)置位置2”。通過(guò)單擊“計(jì)算并編程元件”來(lái)編程新值。

2輸出誤差

對(duì)于線性側(cè)向滑移應(yīng)用，輸出誤差通常表示為百分比或絕對(duì)測(cè)量單位。在本指南圖10所示的示例中，非線性行為特征仍然存在。

圖10：未經(jīng)線性化處理的輸出誤差百分比

為了校正此誤差，必須應(yīng)用線性化。為了獲得最高性能，必須采集更多數(shù)據(jù)點(diǎn)（33個(gè)）。在這種情況下，系統(tǒng)從起始位置到最終位置，以32個(gè)等距步長(zhǎng)（從“零”開(kāi)始總共33個(gè)位置點(diǎn)）進(jìn)行步進(jìn)。每個(gè)位置點(diǎn)都在A31315 Samples編程軟件中采集，并顯示在圖11中。

圖11：線性化選項(xiàng)卡，已記錄感應(yīng)值（以角度表示）

一旦加載了值，單擊“寫(xiě)入元件”將計(jì)算校正系數(shù)并對(duì)目標(biāo)元件進(jìn)行編程。

在數(shù)據(jù)已采集且預(yù)期位置已記錄的情況下，線性位置可以轉(zhuǎn)換為軟件的“角度”：

角度 = 360° × (計(jì)數(shù)_值 / 65536)

在這種情況下，軟件將導(dǎo)入一個(gè)CSV文件，其中第一列是預(yù)期位置，第二列是記錄位置。

圖12：線性化后的結(jié)果輸出

圖12展示了對(duì)原始曲線執(zhí)行的線性化后處理。為了提供有意義的細(xì)節(jié)，將真實(shí)信號(hào)與預(yù)期理想信號(hào)進(jìn)行比較。線性誤差（通常以百分比表示）顯示在圖13中。線性化后，最終誤差從4.2%降低到0.28%。

圖13：應(yīng)用平滑處理后全范圍內(nèi)的線性化誤差百分比

3額外處理

一旦關(guān)注的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理和線性化，在某些情況下必須應(yīng)用限制以滿足某些系統(tǒng)規(guī)格或余量。A31315為用戶提供了一套工具，用于調(diào)整線性化后輸出信號(hào)的行為特征。

鉗位 (Clamping)

在某些應(yīng)用中，要求限制傳感器輸出的信號(hào)范圍。假設(shè)作為系統(tǒng)故障安全設(shè)計(jì)的一部分，定義了10%的最小和最大余量。此限制可以通過(guò)應(yīng)用以下寄存器進(jìn)行設(shè)置：

Lower_clamp：建立信號(hào)塊的最小輸出值。（可接受的值從0到65535）

Upper_clamp：建立信號(hào)塊的最大輸出值。（可接受的值從0到65535）

65535的10%大約是6554，這將設(shè)置給lower_clamp寄存器。最大信號(hào)的90%將是58982，這將設(shè)置給upper_clamp寄存器。

飽和 (Saturation)

鉗位提供對(duì)其所見(jiàn)數(shù)據(jù)的約束功能。然而，如果從CORDIC模塊進(jìn)入兩點(diǎn)編程模塊的數(shù)據(jù)導(dǎo)致寄存器溢出（計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)將超過(guò)65535），就像角度增益增加的情況（參見(jiàn)圖6），輸出字可能會(huì)翻轉(zhuǎn)歸零并重新開(kāi)始。這將表現(xiàn)為鉗位高值突然切換到鉗位低值，然后可能返回到上升的輸出。

而飽和是這樣一個(gè)模塊，它可以通過(guò)忽略表明傳感器正在超出當(dāng)前感應(yīng)限制的數(shù)據(jù)來(lái)抑制這種行為特征。此功能由以下寄存器管理和控制：

Post_gain_sat：設(shè)置為1以啟用飽和。

Post_gain_sat_val：輸入信號(hào)被忽略的交界點(diǎn)，可接受的計(jì)數(shù)輸入為0-255。

post_gain_sat_val的計(jì)算有多個(gè)步驟，需要一些考慮。詳細(xì)過(guò)程在A31315數(shù)據(jù)手冊(cè)中描述。圖14顯示了這些效應(yīng)的一組集合。

圖14：鉗位和飽和功能的各種功能/效果

考量與結(jié)論

要實(shí)現(xiàn)高效設(shè)計(jì)，有必要了解系統(tǒng)預(yù)期輸出信號(hào)隨輸入變化的表現(xiàn)；條件允許時(shí)，應(yīng)選擇契合傳感器正常工作范圍（±300G到±1000G）的磁性元件，以獲得更高信噪比，同時(shí)需明確行程的行為特征——直接線性路徑與 “線性” 弧形路徑各有獨(dú)特挑戰(zhàn)，而該多軸霍爾效應(yīng)傳感器的功能可有效應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)要步驟：

獲取磁場(chǎng)在行程上向傳感器的映射。

查閱表（本文檔末尾）以快速參考元件中可能需要的功能。

確定機(jī)械操作范圍。

應(yīng)用選定的信號(hào)處理模塊。

遵循該程序可最大限度縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間，幫助設(shè)計(jì)人員更快獲取可行的解決方案；而集成信號(hào)處理模塊能便捷調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在降低處理器與軟件負(fù)荷的同時(shí)，提供更優(yōu)結(jié)果。

圖15：常見(jiàn)輸入問(wèn)題及其彌補(bǔ)措施列表