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摘要：介紹了霍尼威爾公司的HMC和HMR系列磁阻傳感器的主要特點(diǎn)和引腳排列，詳細論述了HMR2300磁阻傳器的特點(diǎn)、命令、數據格式和應用注意事項。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量和數字接口的應用電路，同時(shí)給出了使用HMC2300、ADC、單片機、RS232接口和置位/復位電路構成的三維磁場(chǎng)測量電路。 關(guān)鍵詞：磁阻傳感器 測量 磁場(chǎng) HMR2300 磁阻傳感器早在大約2000年前就開(kāi)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(lái)在無(wú)航道的大海上指示方向。然而，直到20世紀，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更好的兼容性，但它仍然主要使用于航海中。隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的磁阻傳感器不僅可以測量來(lái)自地球磁場(chǎng)的存在、強弱和方向，而且可以測量來(lái)自永磁體、軟磁體、車(chē)輛移動(dòng)、腦電波的活動(dòng)以及電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。由于磁阻傳感器可以不經(jīng)過(guò)物理接觸就能測出它們的特性，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。當電阻中有電流流過(guò)時(shí)，在電橋上便施加一個(gè)偏置磁場(chǎng)H，這將使得兩具相對放置的電阻的磁化方向朝著(zhù)電流方向轉動(dòng)，從而引起電阻阻值的增加；另外兩個(gè)相對放置的電阻的磁化方向背向電流方向轉動(dòng)，從而引起電阻阻值減小。這樣，便可在線(xiàn)性區域輸出和外加磁場(chǎng)成正比的信號�；魻柾柟镜腍MC系列磁阻傳感器主要有以下特性： ●磁場(chǎng)范圍寬，其磁場(chǎng)測量范圍高達±6高斯； ●把一維和二維傳感器結合在一起可進(jìn)行三維測量。其中，一維磁場(chǎng)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(chǎng)傳感器采用16腳和20腳SOIC封裝； ●結構可靠； ●集成度高，片內集成了霍尼威爾公司取得專(zhuān)利的置位/復位技術(shù)，因而可以減少溫度漂移、非線(xiàn)性及在高磁場(chǎng)環(huán)境中對輸出信號造成的影響。而片內偏置電路則可消除磁場(chǎng)失真的影響。HMC系列磁阻傳感器的主要型號如表1所列，圖1所示是其中6種型號的引腳排列和定義。 表1 HMC系列磁阻傳感器的主要型號
2 智能數字磁場(chǎng)計HMR2300 2.1 特點(diǎn) HMR2300是霍爾威公司生產(chǎn)的智能數字磁場(chǎng)計。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67微高斯； ●采樣速度可選（10～154采樣點(diǎn)/秒）； ●可進(jìn)行三軸數字輸出（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接口的標準總線(xiàn)，可連接多個(gè)單元； ●符合RS-232標準，可進(jìn)行單點(diǎn)讀數。 2.2 輸入命令 三軸智能數字磁場(chǎng)計HMR2300可用來(lái)檢測磁場(chǎng)的強度和方向，并可與計算機直接通訊以輸出X、Y、Z三個(gè)軸分量。HMR2300采用三個(gè)獨立的橋路來(lái)定向檢測磁場(chǎng)的X、Y、Z在個(gè)分量，電橋輸出端相應電壓的變化可通過(guò)一個(gè)16位AD轉換器轉換為數字量�？奢斎朊罱M態(tài)數據（包括采樣速率、輸出格式、平均讀數和零點(diǎn)偏移）�？衫秒娐钒迳系腅EPROM來(lái)存儲任意一項組態(tài)變化以便為下一次通電作準備。HMR2300的其它輸入命令包括波特率設置、裝置的ID號碼設置和系列號碼設置等，同時(shí)可選擇50Hz和60Hz數字濾波器來(lái)抵消環(huán)境磁場(chǎng)造成的干擾。 HMR2300可以通過(guò)簡(jiǎn)單的命令與磁場(chǎng)計進(jìn)行通訊，這些命令可通過(guò)標準鍵盤(pán)和任何通訊軟件（如Windows中的超級終端）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 數據格式 HMR2300的X、Y、Z三軸輸出均為16位數字量，輸出數據格式可以是帶符號的16位數（符號位+15位數字），也可以是BCD ASCII碼。通過(guò)“ddA”命令可選擇ASCII格式；而通過(guò)“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(chē)。二進(jìn)制格式只需傳輸7個(gè)字節。而B(niǎo)CD，ASCII格式雖然便于用戶(hù)理解，但每次讀取數據均需傳送28個(gè)字節，這對采樣速率有一跟制，表3所列是幾種格式的參數選擇方式。 表3 參數選擇表
HMR2300的二進(jìn)制格式如下：（7字節） XH|XL|YH|YL|ZH|ZL（cr） 其中：XH表示X軸高字節，帶符號；XL表示X軸低字節；（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的符號，但如果采用計算機進(jìn)行讀數，這種格式則是最佳格式。 ASCII格式如下：（28字節） 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的十進(jìn)制數，因此，ASCII碼格式對用戶(hù)讀數是最佳格式。 在A(yíng)SCII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，如為負，二進(jìn)制碼為2D；如為正，則為20；CM為逗號：如果開(kāi)始數不為零，其二進(jìn)制碼為2C；如果開(kāi)始數為零，二進(jìn)制碼為20。 2.4 輸出采樣速度及命令開(kāi)紹 對于不同的輸出采樣速率，參數選擇也有所不同，表3所列為HMR2300的參數選擇表。 采樣速率可通過(guò)“R=”命令在10～154bps之間設定。每一次采樣輸出的X、Y、Z讀數可以采用二進(jìn)制碼或ASCII碼輸出，并可通過(guò)表2來(lái)綜合選擇數據格式和波特率。注意：當HMR2300以較高數據輸出速率出現誤讀數時(shí)，可選擇較低的數據速率。但用高速采樣速率時(shí)，建議設置終端優(yōu)先狀態(tài)，因為這樣可防止換行信號（LF）加入到人站數據中來(lái)，但同時(shí)它也將延緩數據接收速率，并有可能不能和輸入數據流同步。 （1）輸入信號衰減 被測的磁信號將根據采樣速率的不同產(chǎn)生不同的衰減，表3中間時(shí)給出了不同采樣速率對應的帶寬（定義為3dB點(diǎn)），出廠(chǎng)時(shí)設定的20bps，對應的帶寬為17Hz。HMR2300內部的數字濾波器包括帶阻濾波器和低通濾波器，可以提供線(xiàn)性相應的響應，其傳遞函數具有陷波點(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(pán)輸入命令不會(huì )存在問(wèn)題，但如果是從計算機程序中發(fā)出的命令，那么，時(shí)間過(guò)快可能會(huì )存在一些問(wèn)題。 （3）置位/復位命令和平均值命令 置位/復位功能將產(chǎn)生一個(gè)4A的脈沖，這相錄于100Oe的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)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內部產(chǎn)生，其典型耗電電流超過(guò)1mA，置位/復位命令（*ddT=S/RON）用于觸發(fā)內部的開(kāi)關(guān)電路以產(chǎn)生置位或復位脈沖。這一功能可用來(lái)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域，但執行這個(gè)功能會(huì )帶來(lái)其它噪聲，可用取平均數的命令來(lái)消除或減弱（*ddV-AVG=ON）。取平均數功能相當于一個(gè)低通濾波器，能減少由于S/R的開(kāi)關(guān)動(dòng)作和環(huán)境磁場(chǎng)干擾產(chǎn)生的噪聲，測量磁場(chǎng)強度不需要切換置位/復位電路。一個(gè)置位（或復位）單脈沖可將最大的靈敏度輸出保持數月甚至數年。如果要關(guān)閉這種內部開(kāi)關(guān)功能，可再次執行置位/復位命令（*ddT=S/R OFF）。這時(shí)傳感器既可接受置位脈沖，也可接受復位脈沖，如果傳感器暴露在強磁場(chǎng)下（大于20高斯），那么將需要再次復位以保證獲得最大的輸出靈敏度。 （4）裝置的ID號 設定裝置ID號的命令（*99ID=nn）將改變HMR2300的ID號，在執行這條命令之前需先允許寫(xiě)入命令(=ddWE)。在使用RS-485進(jìn)行通訊時(shí)，該命令非常用，因為在網(wǎng)絡(luò )上有不止一個(gè)HMR2300。ID=99是統一地址，可以同時(shí)和網(wǎng)絡(luò )上的所有單元進(jìn)行對話(huà)。 （5）零點(diǎn)讀數命令（*ddZR） 該命令可將讀取的一個(gè)磁場(chǎng)數值存入單片機中，該值將作為一個(gè)偏置量在進(jìn)行以后的讀數時(shí)被減去。零點(diǎn)讀數命令可由另一次*ddZR命令或系統掉電來(lái)終止。當需要建立參考方向或在進(jìn)行異常檢測前將磁場(chǎng)調零時(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(lái)設置高速（19200bps）或低速（9600bps）波特率。在執行該指令前需先執行寫(xiě)入命令（*ddWE）。 （7）默認值設置命令和存儲設置命令 默認值設置命令（*ddD）可以將HMR2300的所有參數強制設置為出廠(chǎng)參數。執行完該指令后再執行存儲參數命令才可永久性地改變。使用存儲設置命令（*ddRST）可將所有參數存入EEPROM。 （8）數據通訊 RS232信號是可同時(shí)進(jìn)行單端單方向的發(fā)送和接收的全雙工通訊信號。它的一路信號從PC（Tx）至HMR（Rx），另一路則從HMR（Tx）至PC（Rx）。當傳送邏輯“1”時(shí)，Tx線(xiàn)和Rx線(xiàn)將驅動(dòng)相對于地-7V的電壓。而當傳送邏輯“0”時(shí)，則將驅動(dòng)+7V電壓。由于這種信號的傳磅依賴(lài)于絕對電壓值，同時(shí)線(xiàn)路噪聲和信號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信號是平衡的差動(dòng)信號。當傳送邏輯1時(shí)，Tx將比Rx線(xiàn)高1.5V；當傳送邏輯0時(shí)，Tx將比Rx低1.5V。差動(dòng)信號傳輸不是依賴(lài)于絕對電壓而是依賴(lài)于電壓差，因此，它將使信號對噪聲具有較強的抑制能力。其總線(xiàn)長(cháng)度可達4000英尺。需要說(shuō)明的是，因為是平衡接口，因此在總線(xiàn)的兩端都要接12Ω的終端電阻。 2.5 HMR2300的應用注意事項 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(chǎng)計會(huì )造成對地球磁場(chǎng)的干擾，進(jìn)而影響到X、Y、Z的測量精度。 （2）測量其X、Y、Z磁場(chǎng)必須考慮地球磁場(chǎng)的影響。在地球的不同地方必須考慮到地球場(chǎng)的不同。在南極、北極和赤道地區，地球磁場(chǎng)具有明顯的差異。 （3）如將HMR置于10高斯以上的磁場(chǎng)中，則HMR必須去磁，否則將會(huì )引起HMR輸出超過(guò)指標所要求的零磁場(chǎng)輸出碼而造成嚴重的零點(diǎn)偏移。 （4）HMR磁場(chǎng)計在測量2高斯以?xún)鹊拇艌?chǎng)時(shí)的分辨率為70微高斯。在用計算機軟盤(pán)存儲數據時(shí)，磁場(chǎng)強度約為10高斯，即HMR接收雜散磁場(chǎng)干擾的靈敏度比一般磁盤(pán)10倍。所以，保護磁場(chǎng)計至少要象保護軟盤(pán)一樣使其遠離電機、顯示器和磁鐵，否則雖然不會(huì )象軟盤(pán)一樣把數據抹去，但會(huì )記憶這些磁場(chǎng)的干擾并影響精度。 3 典型應用 3.1 磁阻傳感器應用電路 圖2所示是一個(gè)一維恒流源的測量和數字接口電路，其二維恒流源的測量及數字接口電路如圖3所示。 圖4是一個(gè)使用HMC2003磁敏傳感器、12位A/D轉換器、PIC16C54單片機、RS232接口和置位/復位電路構成的三維磁場(chǎng)測量電路。 3.2 磁阻傳歷史劇器的置位/復位脈沖電路 磁阻效應傳感器的置位/復位電路有多種設計方法，應根據成本預算和實(shí)際的磁場(chǎng)分辨率來(lái)選擇最佳的設計方案。實(shí)際上，置位脈沖和復位脈沖對傳感器所起的作用基本一樣，唯一的區別是輸出正負號的不同。進(jìn)行置位或復位需對玻莫合金薄膜施加3～4A、20～50ns的脈沖電流，置位/復位脈沖寬度為2微秒。該脈沖寬度對整個(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)方向驅動(dòng)。如果用4A的脈沖對傳感器進(jìn)行置位，那么脈沖將下降到零電流以下，任何電流的負脈沖信號都會(huì )對傳感器“復位”從而影響靈敏度。置位/復位電流脈沖的大小取決于系統的磁噪聲靈敏度，如果最小分辨率為100微高斯，通常需要4A的脈沖。 置位/復位引腳的名稱(chēng)是S/R+和S/R-，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的金屬片，沒(méi)有極性的區別，其標準阻值為1.5Ω。對于三軸系統，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(guò)相同的電流脈沖。將脈沖驅動(dòng)電路的內阻設定為0.5Ω可驅動(dòng)5Ω的負載。用一個(gè)3～4A的最小脈沖來(lái)驅動(dòng)一個(gè)5Ω的負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/復位強脈沖電路圖。利用該電路可在微處理器的控制下產(chǎn)生置位和復位信號以控制HEXFET驅動(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(kāi)通之前使另 個(gè)HEXFET閉合，這類(lèi)似一個(gè)先開(kāi)后保的開(kāi)關(guān)接點(diǎn)。利用這一開(kāi)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)鐘信號來(lái)觸發(fā)置位和復位信號。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
