电子论文-AS5040在角度测量中的应用

2006年第25卷第6期 传感器与微系统（Transducer and Microsystem Technologies ）============
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应用技术
AS5040在角度测量中的应用
韩喜春，吴东艳，张 鹏
（黑龙江工程学院电子工程系，黑龙江哈尔滨150050）
摘 要：阐述了角度传感器芯片AS5040的工作原理、使用方法、硬件和软件设计，介绍了在太阳能电池充电控制系统中的应用。

该芯片具有模拟和数字接口，可与磁钢、微处理器组成一体化智能传感器。

实验表明：AS5040在该系统测量中的最大误差为1.8º，达到了设计要求，可广泛地应用在非接触角度测量领域。

关键词：霍尔传感器；角度测量；片上系统
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1000-9787（2006）06-0075-03
Application of AS 5040in angular measurements
HAN Xi-chun ，WU Dong-yan ，ZHANG Peng
（Department of Electronic Engineering ，Heilongjiang Institute of Technology ，Harbin 150050，China ）Abstract ：Angular sensors chip AS5040’s working principles ，using method ，hardware and software design are expounded ，and the chip ’s application in solar battery charging control system is introduced.The chip has analog and digital interfaces.And it can compose smart sensors with microprocessor and magnet steel.Experiment shows that the maxim deviation of the system is 1.8º.It can satisfy the request of design.And it can be widely used in angular measurement field.
Key words ：Hall sonsor ；angular measurement ；system on chip
0 引 言
在工业自动化、航空、航海、军事、建筑、交通等领域都要进行角度测量，测量角度的主要方法有：机械测量方法、
电磁测量方法、光学测量方法、光电测量方法等［1］。

机械
测量方法简单、成本低，但其设备体积庞大、测量精度不够高、实时性差，属于接触测量。

几何光学测量方法精度高，但实现起来复杂，需要设计高精密的光路，而且，往往需人工干预才能测量。

而采用霍尔效应原理，利用集成电路制造技术的磁感应角度传感器AS5040具有精度高、体积小、重量轻、功耗低、抗干扰能力强以及可维护性好等优点，具
有广泛的应用领域［2～4］。

AS5040是由Austriamicrosystems 公司生产的一种非接触、高分辨力编码、在0º～360º范围内进行角度测量的传感器芯片。

它具有用户可编程增量输出模式，可编程10位（bit ）分辨力。

AS5040允许旋转速度达10000r /min ，可用3.3V 或5V 供电，工作温度范围为-40～125℃。

本文介绍了AS5040在太阳能电池充电控制系统中进行角度测量的应用，取得了满意的结果。

1 AS5040结构与工作原理
AS5040是一个完整的片上系统解决方案，它将霍尔元件、模拟前端和数字信号处理器（DSP ）、接口电路集成在单个芯片中。

它提供磁钢的增量信号和绝对角度位置，磁钢
收稿日期：2006-01-24
可以放在芯片的上面或下面。

AS5040可通过对芯片内的一次可编程OTP 寄存器进行编程来满足特殊用户要求。

AS5040封装和引脚排列如图1所示，VDD3V3是内部调节器输出的3.3V 电源，MagINCn 和MagDECn 是磁场变化指示器，用于检测磁场的变化。

通过同步串行接口（SPI ）可以读出磁铁的增长的位置和零位置的数据。

图1 AS5040封装引脚配置Fig 1 Pin configuration AS5040
AS5040使用霍尔技术在芯片的表面感应磁场分布。

集成的霍尔元件围绕在芯片的中心位置放置，用电压表可测出芯片表面感应出的磁场强度。

通过A /D 转换器和数字信号处理算法，AS5040给出了高精度绝对角度信息。

为达到这个目标，芯片中的DSP 计算角度和霍尔信号大小。

读出绝对角度位置的SPI 接口时序如图2所示。

CSn 变为低电平，DO 将从高阻抗状态变为高电平，在CLK 的第一个下降沿将数据锁存进输出寄存器。

每个后续的CLK 上升
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传感器与微系统第25卷
沿移出1位数据。

CSn的高脉冲用来完成后续测量。

移位输出的数据共有16位，前10位是角度信息，后6位是系统信息，用来判断数据是否正确，其中，OCF是失调补偿完成指示位，高电平表示完成失调补偿算法。

COF是DSP溢出，高电平指示误差超出了范围，D9～D0数据无效。

LIN （线性警报）高电平指示磁场产生了一个临界的线性输出。

MagINC高电平，表示磁铁推向芯片，磁场强度增加。

Mag-DEC高电平，表示磁铁离开芯片，磁场强度减小。

PAR是偶校验位，用于位1到位13的错误检测。

将磁钢放在芯片上面，缺省的顺时针方向，角度增加。

图2 SPI接口读出绝对角度位置时序
Fig2 Synchronous serial interface with absolute angular position data
2 系统中角度测量的硬件和软件设计
将AS5040应用于太阳能电池充电控制系统中的角度测量，其原理框图如图3所示，该系统由单片机SST89E564RD、角度传感器芯片AS5040、显示驱动电路MAX7219、步进电机驱动电路和步进电机组成。

SST89E564RD与8051具有完全相同的指令集，内部集成的FLASH程序存储器被分成两部分相对独立的程序存储块。

该器件被设计成为可以在系统和在应用可编程。

MAX7219是具有SPI接口且具有8位共阴LED数码管动态扫描驱动电路的芯片。

其峰值电流可达40mA，最高串行扫描速率为10MHz，典型扫描速率为130Hz，仅使用单片机3个I/O 口，即可完成对8位LED数码管的显示控制和驱动。

SST89E564RD的P0.0，P0.1，P0.2分别与MAX7219的DIN，LOAD，CLK端相连。

万年历实时时钟采用DS1302，采用SPI总线接口与单片机相连。

图3 角度测量显示功能框图
Fig3 Block diagram of angular measurements and display
太阳能电池充电快慢与受光面积和光强度有关。

将一年中每天本地区各个小时阳光最强时的方向角作为二维数组存入EEPROM存储器中。

每个日期，每个小时都对应一个太阳光最强的角度，以正北方向为角度0º，顺时针方向为正，正南为180º。

通过万年历实时时钟，单片机每一小时驱动步进电机调整一次角度，步进电机带动太阳能板转动的同时，AS5040中感应的对应角度值读入单片机，与此时步进电机设置的角度值比较，如果给定的角度值与读回的角度值偏差在允许范围内，则步进电机停止调整。

系统的软件流程如图4所示。

系统运行时，软件首先对MAX7219初始化，然后，在角度控制中循环读出AS5040的绝对角度值，并在MAX7219上显示出来［5］。

图4 步进电机控制和角度测量流程图
Fig4 Flow graph of stepper motor control and
angle measurements
3 实验结果
用AS5040在太阳能电池充电控制系统中进行角度测
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第6期韩喜春等：AS5040在角度测量中的应用
量，测量数据如表1所示。

从表中测量结果可以看出：
AS5040测量结果的最大误差为1.8º，控制角度误差不大于
3º，完全可以满足该控制系统的要求。

在调试系统时，磁钢
与芯片AS5040的中心要尽量对齐，偏离中心范围不应大
于0.25mm，否则，测量结果的角度偏差会随偏离范围而增
大，磁钢与芯片AS5040的间隙距离在1～2mm时，测量的
角度偏差较小。

磁钢的直径选择在4～5mm线性度最佳。

表1 角度测量结果
Tab1 Measured result of angle
测试序号理论角度
（º）
实测角度
（º）
绝对误差
（º）
100.40.4 24543.9-1.1 39090.70.7 4135133.6-1.4 5180181.1 1.1 6225226.8 1.8 7270271.4 1.4 8325324.3-0.7 9360360.40.4
4 结束语
AS5040是具有数字和模拟接口的片上系统可编程角度测量传感器。

它在太阳能充电控制系统中进行角度测量满足了系统的要求。

它体积小、功耗低、精度高、抗干扰能力强，相对其他类型角度测量传感器具有较明显优势。

AS5040也可广泛应用在其他非接触角度测量中，是一种具有广泛应用前途的传感器。

参考文献：
［1］贺安之，阎大鹏.现代传感器原理与应用［M］.北京：宇航出版社，2002.94-132.
［2］乐建华，顾雪艳.基于AT89C2051单片机的旋转变压器位置测量系统设计［J］.计算机测量与控制，2002，（2）：141-142.［3］刘迎春，叶湘滨.传感器设计原理与应用［M］.长沙：国防科技大学出版社，1997.106-113.
［4］Burger F，Demierre M，Drapp A，et al.New fully integrated3D sili-con Hall sensors for precise angular position measurements［A］.
Transducer’99，IEEE［C］.Sendai Japan，1999.527-531.
［5］马忠梅，籍顺心.单片机的C语言应用程序设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1999.46-53.
作者简介：
韩喜春（1954-），黑龙江哈尔滨人，副教授，主要研究方向为嵌入式系统设计及电子技术应用
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（上接第68页）
从传感器的冲击波能及气泡能测试波形曲线，得到MCRI5#，MCRI6#的冲击波形上升前沿陡峭，抗干扰能力强，与美国PCB公司生产的PCB138-1传感器测量结果的比较，获得的冲击波波形基本一致。

总之，由测试结果可以证明：整个测试系统的动态测试具有抗干扰能力强、强度高、测量压力范围宽。

4 结束语
通过对研制的MCRI型传感器进行静态、动态压力的标定及水池试验，与美国PCB公司同类产品进行比对的结果表明：该水中爆炸压力传感器的设计方案正确，上升前沿、灵敏度、精度等技术指标达到使用要求，且使用方便、节约成本，适合于水中爆炸压力的测量。

表3 冲击波能量与气泡能测试结果Tab3 Test results of shock and Bleb energy
传感器型号
冲击波能
灵敏度
（MPa/V）
峰值压力
（mV）
冲击波能
（kJ）
气泡能
峰值时间
（ms）
脉动周期
（ms）
气泡能
（kJ）
MCRI5#0.098715.0981281243.480243.482589 MCRI6#0.095116.7641415243.48243.482589 PCB138-10.144616.2591297243.50243.502727 MCRI5#0.098716.0951294243.56243.562529 CRI6#0.095115.9021417243.00243.002574 PCB138-10.144616.8701313243.00243.002709
参考文献：
［1］李科杰.新编传感器技术手册［M］.北京：国防工业出版社，2002.1.
［2］肖峰，高德香，方向君.高压传感器动态校准的理论分析与
实践［J］.测试技术学报，1994，8（2）：69-75.
作者简介：
殷俊兰（1958-）女，河北故城人，高级工程师，主要从事电子测试技术研究工作。

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