霍尼威爾磁阻傳感器及其應(yīng)用

傳感器的主要特點(diǎn)和引腳排列，詳細(xì)論述了HMR2300磁阻傳器的特點(diǎn)、命令、數(shù)據(jù)格式和應(yīng)用注意事項(xiàng)。最后給出了用霍尼威爾公司磁阻傳感器進(jìn)行一維和二維恒流源測(cè)量和數(shù)字接口的應(yīng)用電路，同時(shí)給出了使用HMC2300、ADC、單片機(jī)、RS232接口和置位/復(fù)位電路構(gòu)成的三維磁場測(cè)量電路。

傳感器 測(cè)量 磁場 HMR2300

磁阻傳感器早在大約2000年前就開始使用，最早的磁阻傳感器是一塊有磁極的磁石，人們用它來在無航道的大海上指示方向。然而，直到20世紀(jì)，磁阻傳感器技術(shù)雖已具有更高的靈敏度、更小的尺寸和與電子系統(tǒng)更好的兼容性，但它仍然主要使用于航海中。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的磁阻傳感器不僅可以測(cè)量來自地球磁場的存在、強(qiáng)弱和方向，而且可以測(cè)量來自永磁體、軟磁體、車輛移動(dòng)、腦電波的活動(dòng)以及電流所產(chǎn)生的磁場。由于磁阻傳感器可以不經(jīng)過物理接觸就能測(cè)出它們的特性，因此，磁阻傳感器變成了許多工業(yè)和航?？刂葡到y(tǒng)的“眼睛”。

1 霍尼威爾公司的磁阻傳感器

霍尼威爾磁阻傳感器一般由四個(gè)磁阻組成惠斯電橋，其供電電源為Vb。當(dāng)電阻中有電流流過時(shí)，在電橋上便施加一個(gè)偏置磁場H，這將使得兩具相對(duì)放置的電阻的磁化方向朝著電流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而引起電阻阻值的增加；另外兩個(gè)相對(duì)放置的電阻的磁化方向背向電流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而引起電阻阻值減小。這樣，便可在線性區(qū)域輸出和外加磁場成正比的信號(hào)。霍爾威爾公司的HMC系列磁阻傳感器主要有以下特性：

●磁場范圍寬，其磁場測(cè)量范圍高達(dá)±6高斯；

●把一維和二維傳感器結(jié)合在一起可進(jìn)行三維測(cè)量。其中，一維磁場傳感器采用8腳SIP、8腳SOIC和8腳DIP塑料封裝形式，二維磁場傳感器采用16腳和20腳SOIC封裝；

●結(jié)構(gòu)可靠；

●集成度高，片內(nèi)集成了霍尼威爾公司取得專利的置位/復(fù)位技術(shù)，因而可以減少溫度漂移、非線性及在高磁場環(huán)境中對(duì)輸出信號(hào)造成的影響。而片內(nèi)偏置電路則可消除磁場失真的影響。HMC系列磁阻傳感器的主要型號(hào)如表1所列，圖1所示是其中6種型號(hào)的引腳排列和定義。

表1 HMC系列磁阻傳感器的主要型號(hào)

2 智能數(shù)字磁場計(jì)HMR2300

2.1 特點(diǎn)

HMR2300是霍爾威公司生產(chǎn)的智能數(shù)字磁場計(jì)。其主要特點(diǎn)如下：

●自帶微處理器；

●成本低，使用方便，支持即插即用；

●量程為±2高斯，分辨率達(dá)67微高斯；

●采樣速度可選（10～154采樣點(diǎn)/秒）；

●可進(jìn)行三軸數(shù)字輸出（BCD碼、ASCII碼或二進(jìn)制碼）；

●具有9600或19.2波特率；

●帶有符合RS-485接口的標(biāo)準(zhǔn)總線，可連接多個(gè)單元；

●符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)，可進(jìn)行單點(diǎn)讀數(shù)。

2.2 輸入命令

三軸智能數(shù)字磁場計(jì)HMR2300可用來檢測(cè)磁場的強(qiáng)度和方向，并可與計(jì)算機(jī)直接通訊以輸出X、Y、Z三個(gè)軸分量。HMR2300采用三個(gè)獨(dú)立的橋路來定向檢測(cè)磁場的X、Y、Z在個(gè)分量，電橋輸出端相應(yīng)電壓的變化可通過一個(gè)16位AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量?？奢斎朊罱M態(tài)數(shù)據(jù)（包括采樣速率、輸出格式、平均讀數(shù)和零點(diǎn)偏移）?？衫秒娐钒迳系腅EPROM來存儲(chǔ)任意一項(xiàng)組態(tài)變化以便為下一次通電作準(zhǔn)備。HMR2300的其它輸入命令包括波特率設(shè)置、裝置的ID號(hào)碼設(shè)置和系列號(hào)碼設(shè)置等，同時(shí)可選擇50Hz和60Hz數(shù)字濾波器來抵消環(huán)境磁場造成的干擾。

HMR2300可以通過簡單的命令與磁場計(jì)進(jìn)行通訊，這些命令可通過標(biāo)準(zhǔn)鍵盤和任何通訊軟件（如Windows中的超級(jí)終端）輸入。表2為HMR2300的輸入命令集。

表2 HMR系列智能磁阻傳感器輸入命令集

2.3 數(shù)據(jù)格式

HMR2300的X、Y、Z三軸輸出均為16位數(shù)字量，輸出數(shù)據(jù)格式可以是帶符號(hào)的16位數(shù)（符號(hào)位+15位數(shù)字），也可以是BCD ASCII碼。通過“ddA”命令可選擇ASCII格式；而通過“ddB”命令則可選擇二進(jìn)制格式。

按二進(jìn)制格式輸出的順序是：X hi、X lo、Y hi、Y lo、Z hi、Z lo、回車。二進(jìn)制格式只需傳輸7個(gè)字節(jié)。而BCD，ASCII格式雖然便于用戶理解，但每次讀取數(shù)據(jù)均需傳送28個(gè)字節(jié)，這對(duì)采樣速率有一跟制，表3所列是幾種格式的參數(shù)選擇方式。

表3 參數(shù)選擇表

HMR2300的二進(jìn)制格式如下：（7字節(jié)）

XH|XL|YH|YL|ZH|ZL（cr）

其中：XH表示X軸高字節(jié)，帶符號(hào)；XL表示X軸低字節(jié)；（cr）為輸入鍵，二進(jìn)制碼0D。二時(shí)制碼在顯示器上顯示的是一些不可辨認(rèn)的符號(hào)，但如果采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行讀數(shù)，這種格式則是最佳格式。

ASCII格式如下：（28字節(jié)）

SH|X1|X2|X3|X4|X5|SP|SP|SN|Y1|Y2|Y3|Y4|Y5|SP|SP|SN|Z1|Z2|CM|Z3|Z4|Z5|SP|SP

ASCII碼在顯示器上的顯示為可閱讀的帶符號(hào)的十進(jìn)制數(shù)，因此，ASCII碼格式對(duì)用戶讀數(shù)是最佳格式。

在ASCII格式中，為輸入鍵，其二進(jìn)制碼為0D；SP為空格鍵，二進(jìn)制碼為20；SN表示符號(hào)，如為負(fù)，二進(jìn)制碼為2D；如為正，則為20；CM為逗號(hào)：如果開始數(shù)不為零，其二進(jìn)制碼為2C；如果開始數(shù)為零，二進(jìn)制碼為20。

2.4 輸出采樣速度及命令開紹

對(duì)于不同的輸出采樣速率，參數(shù)選擇也有所不同，表3所列為HMR2300的參數(shù)選擇表。

采樣速率可通過“R=”命令在10～154bps之間設(shè)定。每一次采樣輸出的X、Y、Z讀數(shù)可以采用二進(jìn)制碼或ASCII碼輸出，并可通過表2來綜合選擇數(shù)據(jù)格式和波特率。注意：當(dāng)HMR2300以較高數(shù)據(jù)輸出速率出現(xiàn)誤讀數(shù)時(shí)，可選擇較低的數(shù)據(jù)速率。但用高速采樣速率時(shí)，建議設(shè)置終端優(yōu)先狀態(tài)，因?yàn)檫@樣可防止換行信號(hào)（LF）加入到人站數(shù)據(jù)中來，但同時(shí)它也將延緩數(shù)據(jù)接收速率，并有可能不能和輸入數(shù)據(jù)流同步。

（1）輸入信號(hào)衰減

被測(cè)的磁信號(hào)將根據(jù)采樣速率的不同產(chǎn)生不同的衰減，表3中間時(shí)給出了不同采樣速率對(duì)應(yīng)的帶寬（定義為3dB點(diǎn)），出廠時(shí)設(shè)定的20bps，對(duì)應(yīng)的帶寬為17Hz。HMR2300內(nèi)部的數(shù)字濾波器包括帶阻濾波器和低通濾波器，可以提供線性相應(yīng)的響應(yīng)，其傳遞函數(shù)具有陷波點(diǎn)（零點(diǎn)）。

（2）命令輸入速率

HMR2300限定了在不同采樣速率下接收命令字節(jié)的時(shí)間。表3也給出了從發(fā)送命令到HMR2300正確地接收到命令的時(shí)間。合作鍵盤輸入命令不會(huì)存在問題，但如果是從計(jì)算機(jī)程序中發(fā)出的命令，那么，時(shí)間過快可能會(huì)存在一些問題。

（3）置位/復(fù)位命令和平均值命令

置位/復(fù)位功能將產(chǎn)生一個(gè)4A的脈沖，這相錄于100Oe的磁場，該磁場可以使每一個(gè)玻膜合金傳感器重新確定磁化方向，以提供最大的輸出靈敏度。這一電流脈沖由HMR2300內(nèi)部產(chǎn)生，其典型耗電電流超過1mA，置位/復(fù)位命令（*ddT=S/RON）用于觸發(fā)內(nèi)部的開關(guān)電路以產(chǎn)生置位或復(fù)位脈沖。這一功能可用來消耗溫度漂移所造成的影響，以保證傳感器工作在最敏感的區(qū)域，但執(zhí)行這個(gè)功能會(huì)帶來其它噪聲，可用取平均數(shù)的命令來消除或減弱（*ddV-AVG=ON）。取平均數(shù)功能相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，能減少由于S/R的開關(guān)動(dòng)作和環(huán)境磁場干擾產(chǎn)生的噪聲，測(cè)量磁場強(qiáng)度不需要切換置位/復(fù)位電路。一個(gè)置位（或復(fù)位）單脈沖可將最大的靈敏度輸出保持?jǐn)?shù)月甚至數(shù)年。如果要關(guān)閉這種內(nèi)部開關(guān)功能，可再次執(zhí)行置位/復(fù)位命令（*ddT=S/R OFF）。這時(shí)傳感器既可接受置位脈沖，也可接受復(fù)位脈沖，如果傳感器暴露在強(qiáng)磁場下（大于20高斯），那么將需要再次復(fù)位以保證獲得最大的輸出靈敏度。

（4）裝置的ID號(hào)

設(shè)定裝置ID號(hào)的命令（*99ID=nn）將改變HMR2300的ID號(hào)，在執(zhí)行這條命令之前需先允許寫入命令(=ddWE)。在使用RS-485進(jìn)行通訊時(shí)，該命令非常用，因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)上有不止一個(gè)HMR2300。ID=99是統(tǒng)一地址，可以同時(shí)和網(wǎng)絡(luò)上的所有單元進(jìn)行對(duì)話。

（5）零點(diǎn)讀數(shù)命令（*ddZR）

該命令可將讀取的一個(gè)磁場數(shù)值存入單片機(jī)中，該值將作為一個(gè)偏置量在進(jìn)行以后的讀數(shù)時(shí)被減去。零點(diǎn)讀數(shù)命令可由另一次*ddZR命令或系統(tǒng)掉電來終止。當(dāng)需要建立參考方向或在進(jìn)行異常檢測(cè)前將磁場調(diào)零時(shí)，這條命令非常實(shí)用。

（6）波特率命令

波特率命令（*dd! BR=F/S）主要用來設(shè)置高速（19200bps）或低速（9600bps）波特率。在執(zhí)行該指令前需先執(zhí)行寫入命令（*ddWE）。

（7）默認(rèn)值設(shè)置命令和存儲(chǔ)設(shè)置命令

默認(rèn)值設(shè)置命令（*ddD）可以將HMR2300的所有參數(shù)強(qiáng)制設(shè)置為出廠參數(shù)。執(zhí)行完該指令后再執(zhí)行存儲(chǔ)參數(shù)命令才可永久性地改變。使用存儲(chǔ)設(shè)置命令（*ddRST）可將所有參數(shù)存入EEPROM。

（8）數(shù)據(jù)通訊

RS232信號(hào)是可同時(shí)進(jìn)行單端單方向的發(fā)送和接收的全雙工通訊信號(hào)。它的一路信號(hào)從PC（Tx）至HMR（Rx），另一路則從HMR（Tx）至PC（Rx）。當(dāng)傳送邏輯“1”時(shí)，Tx線和Rx線將驅(qū)動(dòng)相對(duì)于地-7V的電壓。而當(dāng)傳送邏輯“0”時(shí)，則將驅(qū)動(dòng)+7V電壓。由于這種信號(hào)的傳磅依賴于絕對(duì)電壓值，同時(shí)線路噪聲和信號(hào)衰減也將使得傳輸距離受到限制，通常的傳輸距離為60英尺。

RS485信號(hào)是平衡的差動(dòng)信號(hào)。當(dāng)傳送邏輯1時(shí)，Tx將比Rx線高1.5V；當(dāng)傳送邏輯0時(shí)，Tx將比Rx低1.5V。差動(dòng)信號(hào)傳輸不是依賴于絕對(duì)電壓而是依賴于電壓差，因此，它將使信號(hào)對(duì)噪聲具有較強(qiáng)的抑制能力。其總線長度可達(dá)4000英尺。需要說明的是，因?yàn)槭瞧胶饨涌?，因此在總線的兩端都要接12Ω的終端電阻。

2.5 HMR2300的應(yīng)用注意事項(xiàng)

在使用HMR2300時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）鎳、鐵、鋼、鈷等鐵磁性金屬靠近磁場計(jì)會(huì)造成對(duì)地球磁場的干擾，進(jìn)而影響到X、Y、Z的測(cè)量精度。

（2）測(cè)量其X、Y、Z磁場必須考慮地球磁場的影響。在地球的不同地方必須考慮到地球場的不同。在南極、北極和赤道地區(qū)，地球磁場具有明顯的差異。

（3）如將HMR置于10高斯以上的磁場中，則HMR必須去磁，否則將會(huì)引起HMR輸出超過指標(biāo)所要求的零磁場輸出碼而造成嚴(yán)重的零點(diǎn)偏移。

（4）HMR磁場計(jì)在測(cè)量2高斯以內(nèi)的磁場時(shí)的分辨率為70微高斯。在用計(jì)算機(jī)軟盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，磁場強(qiáng)度約為10高斯，即HMR接收雜散磁場干擾的靈敏度比一般磁盤10倍。所以，保護(hù)磁場計(jì)至少要象保護(hù)軟盤一樣使其遠(yuǎn)離電機(jī)、顯示器和磁鐵，否則雖然不會(huì)象軟盤一樣把數(shù)據(jù)抹去，但會(huì)記憶這些磁場的干擾并影響精度。

3 典型應(yīng)用

3.1 磁阻傳感器應(yīng)用電路

圖2所示是一個(gè)一維恒流源的測(cè)量和數(shù)字接口電路，其二維恒流源的測(cè)量及數(shù)字接口電路如圖3所示。

圖4是一個(gè)使用HMC2003磁敏傳感器、12位A/D轉(zhuǎn)換器、PIC16C54單片機(jī)、RS232接口和置位/復(fù)位電路構(gòu)成的三維磁場測(cè)量電路。

3.2 磁阻傳歷史劇器的置位/復(fù)位脈沖電路

磁阻效應(yīng)傳感器的置位/復(fù)位電路有多種設(shè)計(jì)方法，應(yīng)根據(jù)成本預(yù)算和實(shí)際的磁場分辨率來選擇最佳的設(shè)計(jì)方案。實(shí)際上，置位脈沖和復(fù)位脈沖對(duì)傳感器所起的作用基本一樣，唯一的區(qū)別是輸出正負(fù)號(hào)的不同。進(jìn)行置位或復(fù)位需對(duì)玻莫合金薄膜施加3～4A、20～50ns的脈沖電流，置位/復(fù)位脈沖寬度為2微秒。該脈沖寬度對(duì)整個(gè)電源的消耗具有直接的影響。一個(gè)單脈沖只能在一個(gè)方向驅(qū)動(dòng)。如果用4A的脈沖對(duì)傳感器進(jìn)行置位，那么脈沖將下降到零電流以下，任何電流的負(fù)脈沖信號(hào)都會(huì)對(duì)傳感器“復(fù)位”從而影響靈敏度。置位/復(fù)位電流脈沖的大小取決于系統(tǒng)的磁噪聲靈敏度，如果最小分辨率為100微高斯，通常需要4A的脈沖。

置位/復(fù)位引腳的名稱是S/R+和S/R-，這是一個(gè)簡單的金屬片，沒有極性的區(qū)別，其標(biāo)準(zhǔn)阻值為1.5Ω。對(duì)于三軸系統(tǒng)，三個(gè)金屬的串聯(lián)阻值為4.5Ω。如果同時(shí)使用三個(gè)軸，金屬片應(yīng)以串聯(lián)形式進(jìn)行連接保證三個(gè)敏感元件上能夠流過相同的電流脈沖。將脈沖驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻設(shè)定為0.5Ω可驅(qū)動(dòng)5Ω的負(fù)載。用一個(gè)3～4A的最小脈沖來驅(qū)動(dòng)一個(gè)5Ω的負(fù)載所需要的供電電壓為15～20V。

圖5是一種可在微處理器的控制下產(chǎn)生大于4A的置位/復(fù)位強(qiáng)脈沖電路圖。利用該電路可在微處理器的控制下產(chǎn)生置位和復(fù)位信號(hào)以控制HEXFET驅(qū)動(dòng)器（IRF706）的P和N通道。引入TRS和TSR延時(shí)的目的是確保在一個(gè)HEXFET開通之前使另 個(gè)HEXFET閉合，這類似一個(gè)先開后保的開關(guān)接點(diǎn)。利用這一開關(guān)可在4.7μF電容和脈沖輸出點(diǎn)之間串接一個(gè)500Ω的分壓電阻。如果不使用微處理器，也可用時(shí)鐘信號(hào)來觸發(fā)置位和復(fù)位信號(hào)。