（电工理论与新技术专业论文）基于amr效应的磁阻位移传感器的设计.pdf

西北r 业大学硕七学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t o d a y , a st h eh i g hd e v e l o p m e n to f a m o m m i z a t i o no f i n d u s t r y , m o v i n go b j e c t sc a r l b em e a s l i r e da n dc o n t r o l l e db yu s i n gs e u s o r - a s s e m b l e ds y s t e m t h e s et e c h n o l o g i e s a r cu s e dm o r ea n dm o r ei ni n d u s t r ya n dr e s e a r c ha r e a a m o n gt h e m , t h es e n s o r t e c h n o l o g yo fm a g n e t o r e s i s t i v i t yh a sp r o g r e s s e da tr a p i dr a t ei nt h el a s tt e ny e a r sd u e t oi t sl o wc o s ta n da c c u r a c y u s i n gt h em a g n e t i cf i e l d a sm e d i u m , t h e m a g n e t o r e s i s t i v es e n s o rc a p t u r e st h ei n f o r m a t i o no ft h et a r g e to b j e c ts u c ha s t h e l o c a t i o n , a n g l e ，p o s e c o n t a c t l e s sw a yo fs e n s ee f f e c t i v e l ya v o i dt h ew e a l a n dt e a r c a u s e db yt h er e l a t i v ed i s p l a c e m e n to ft h es y s t e ma n dt h em o v i n go b j e c t , w h i c hc a n o f f e ral o n g t i m eu s e t h a t sw h yt h i st e c h n o l o g yh a sa c h i e v e dah i g l l l yi m p r o v e m e n t i nr e c e n ty e a r s a c c o m p a n yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e c h n o l o g ya n d t h ei n t e g r a t ec i r c u i t t e c h n o l o g y , s e n s o r sa r ed e s i g n e dt o w a r d sm i c r o m a t i o na n di n t e l l i g e n c e h e n c et h e c o n c e p to fs e n s o ri se x t e n d e df r o mas i n g l et r a n s d u c e rt oas y s t e mw h i c hi sa b l et o c o l l e c t ，p r o c e s s ，s t o r ea n dt r a n s m i t t h i sp a p e ra c c o m p l i s h san e w - s t y l es h i f ts e n s o r w h i c hi m e g r a t e sam a g n e t i c - t o - e l e c t r i ct r a n s d u c e ra n dam i c r op r o c e s su r d t ( m p u ) t h es e n s o r sc a na d j u s tb ys o f t w a r et oi t sb e s tw o r k i n gs t a t e f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n do ft h et h e s i sa n ds t a t u so ft h es h i f tm e a s u r e m e ma r e e x p l a i n e d s e c o n d l y , t h em e a s u r i n gp r i n c i p l eo f t h em a g n e t o r e s i s t i v es h i f ts e n s o ra r e i n t r o d u c e d t h i r d l yt h ea r c h i t e c t u r e a l lh a r dw a r ed e s i g no ft h es h i f ts e n s o ra r e r e c o m m e n d e d t h e ns o i h v a r ed e s i g na r ei l l u m i n a t e d f i n a l l yt h em e a s u r er e s u l ta r e a n a l y z e da n dae r r o rc o m p e n s a t i o ni d e ai sp r e s e m e di nt h i sp a p e r t h es e n s o ra c c o m p l i s h e db yt h ew r i t e rc a nm e a s m eas h i f tr a n g ef r o m0t o8 5 m r f l i th a sa p r e c i s i o no f0 2m m t h er e s u l t sa r ed i s p l a y e do nl c d i ta l s oh a sa s t a n d a r ds e r i a li n t e r f a c ei no r d e rt od o w n l o a dp r o g r a ma n ds u p e r v i s et h er u n n i n g p r o g r a m k e yw o r d s ：m a g n e t o r e s i s t i v es e n s o r ，m i c r oc o m p u t e ru n i t ，s i g n a lp r o c e s s u 谣北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即；研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 加7 年弓 f 月f 2 日 指导教师签名： h 叼年j 月【l 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 _ 司 定 丝 弹 监功凳 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 信息获取与信息处理已经成为现代技术领域的核心内容，对社会发展、科技 进步起着重要的作用。传感器作为信息获取与处理系统中的最前端部件，直接面 向被测量的对象，将被测对象的被测参数转变为电信号，是现代信息技术的重要 基础。在工业自动化、航空、航天、军事工程、环境监测、海洋探测、石油化工、 生物工程等许多领域传感器获得了越来越广泛的应用。 随着数字电路技术，大规模集成的电路技术的发展，传感器也逐步走向智能 化、微型化。智能化程度的日益进步，传感器自身的概念也逐步扩展，由单一的 敏感元件扩展为集信号获取、处理、存储、与传输等功能在内的传感器系统。 作为传感技术的一个重要分支，磁敏传感的发展历史较短，迄今为止不过3 0 多年。但磁敏传感以其优异的适应性和低廉的成本迅速实现了大规模的产业化， 在许多领域得到了广泛的应用。 本文研究的内容是以磁阻元件为基础。按照微型化、集成化、智能化的新型 传感器发展趋势，目的是研制出一种基于磁阻效应的位移传感器。 1 2 位移测量技术的发展及现状 在现代制造业及工程控制当中，即时获取目标的位移信息作为反馈实现自动 控制是一种重要的监测手段。不同的生产和研究的领域，对位移测量设备的精度 及环境适应性亦不相同，位移的测量技术也因此呈现出了多元化的发展。如今， 基于各种原理的位移传感技术也日趋成熟。大家所熟知的有激光位移传感、光栅 位移传感、电容式位移传感、电感式位移传感、超声波位移传感等等。 各种传感方式都有自身的优缺点。电感式、电容式位移传感具有较好的分辨 率，但其精度容易受到出厂前的加工质量及被测物形状、材料的影响，虽然坚固 耐用，却对湿度、温度的影响比较敏感。超声波和激光位移传感可以满足大量程 的测量需求，但其精度不高且设备体积庞大；光栅传感精度很高，但生产成本昂 贵，体积较大，且易损坏，应用起来十分不便。基于磁阻效应的位移传感具有低 廉的生产成本，且此类传感技术具有良好的精度和分辨率；可以适应苛刻的工作 环境，对冲击、振动、湿度变化等不敏感。从应用角度来看，在精度、抗震、耐 两北t 业大学硕十学位论文第一章绪论 用度和便携使用等方面，磁阻位移传感器具有综合的性能优势。 当前，位移传感器的发展已经进入了新型传感器阶段。除了不同的领域和工 作环境，需要选择不同的传感方式之外，新型的传感器还要求产品兼具集成化、 小型化、智能化的特点。所谓集成化就是要求传感器和相应的测量电路( 包括放 大、运算、温度补偿、数据采集等模块) 的集成化。这有助于减小干扰、提高灵 敏度以及便于后续数据的存储、处理和显示。集成化程度越高，小型化就越容易 实现。智能化要求传感器必须具备微处理器核心单元，能够将传感器信号与微处 理器的信息处理功能有机的融合在一起，可通过各种软件对信息检测过程进行管 理和调节，使之达到最佳工作状态。智能化设计不仅提高了传感器的性能，还兼 有检测、判断和信息处理等功能。传感器的智能化主要体现在这几个方面： ( 1 ) 可对检测数据进行统计作均值处理或数字滤波等操作，减小随机误差和 噪声影响。 ( 2 ) 具有记忆、存储功能，方便使用和进一步的数据处理。 ( 3 ) 能够补偿零点漂移和灵敏度漂移。 ( 4 ) 具有组态功能，可应用组合传感器，扩大检测范围。 ( 5 ) 具有多种输出方式，且符合各自统一输出标准，加强了和其它电子设备 的兼容性，可扩大应用范围。 论文采用美国h o n e y w e l l 公司研制的h m c l 5 0 1 作为磁电换能器件。h m c l 5 0 1 工作于磁饱和状态只对外界磁场方向敏感。磁饱和状态下的器件输出为单周期正 弦函数，通过对函数零点附近的直线拟合来建立器件输出信号与位移的关系，从 而实现位移的测量。 可以看出新型传感器与传统传感器相比具有精度高、稳定性好、测量范围宽、 应用范围广等主要优点。本文实现的样机以小型化、集成化、智能化为目标，将 系统集成在1 0 0 r a m 2 的电路板上，采用a d i 公司研制的a d u c 8 4 2 作为微处理芯片， 实现了一种新型的磁阻位移传感器，具备感测、处理、存储、显示及与p c 通讯 等功能。 1 3 论文的研究内容 本文的目的是研制出磁阻位移传感器样机，包括电路设计及调试，位移计算 算法，软将编程及调试，误差分析及改进措施等，本人具体所做的工作如下。 ( 1 ) 调查当前位移传感器的研究现状与发展趋势，了解磁阻位移传感器的研 究应用情况。明确了磁阻位移传感可能具备的市场前景，并对整个设计的成本预 估。 ( 2 ) 从磁阻效应入手，分析磁阻类芯片的工作原理。进而了解磁阻芯片 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 h m c l 5 0 1 的信号特征。考虑到单一的磁阻芯片智能进行较小量程的测量，论文 实现了利用传感器阵列来扩展量程的实验结构。 ( 3 ) 考虑新型传感器的集成化、智能化发展方向，结合磁阻位移传感器实际 设计情况，分析了集成数据采集系统a d u c 8 4 2 各个功能部件对于实现磁阻位移 传感器测量适用性，并最终确定使用a d u c 8 4 2 作为系统的信号采集和处理单元。 针对传感器输出信号特性和a d u c 8 4 2 采集输入信号的匹配范围，设计了具备滤 波放大功能的传感器信号调理电路，保证信号采集的有效性和精确性。针对传感 器阵列的结构设计了分时复用的信号调理系统，确保了系统的微型化及低成本。 在系统相关功能电路设计完成后，对a d u c 8 4 2 的其它片上资源做了整合利用， 设计了液晶显示( l c d ) 、数字一模拟转换( d a c ) 及r s 2 3 2 串1 2 1 等用于人机交互 操作的基本电路，提高了磁阻位移传感器的易用性、可监测性和设备兼容性。 ( 4 ) 了解了数据采集处理单元a d u c 8 4 2 的片上编程资源的功能。并掌握了相 关功能的使用方法。熟悉并掌握了系统软件k e i lr t v i s i o n 2 的开发环境，设计了系 统的工作流程，完成了数据采集、处理、显示、通信等各功能子程序及主程序的 编写。 ( 5 ) 完成磁阻角度传感器的硬软件调试及软硬件联合调试，实现预期的系统 功能。 ( 6 ) 对位移测量系统进行测试，研究系统的误差来源，总结了系统成果及优 点，提出下一步工作要求。 本课题研发的磁阻位移传感器具有下述特点： ( 1 ) 本传感器的设计结合了磁阻芯片h m c l 5 0 1 和a d i 公司高性能集成数据采 集处理芯片a d u c 8 4 2 ，是一种一个集成化、智能化的新型传感器。h m c l 5 0 1 是 h o n e y w e l l 公司专门为位移传感应用研制的磁阻芯片，具有较好的位移一电压的 险性转换关系。封装小适合小型化设计。a d u c 8 4 2 则集成了一个8 通道、3 微秒 转换时间、1 2 位精度、带自校正功能、逐次逼近的模拟数字转换器( a d c ) ，并 可通过编程控制，使用方便。此外，还有其它丰富的片上资源，便于系统开发， 例如两个数字一模拟转换器( d a c ) 、一个通用的异步收发器( u a r a 3 、s p i 和1 2 c 总 线接口以及6 4 k b 的电可擦除程序存储器和4 k b 的电可擦除数据存储器。高密度、 小型化、集成化的设计，以及高精度、高速率的数据采集性能和丰富的片上资源， 非常有助于实现磁阻位移传感器的集成化、微型化和智能化，对磁阻位移传感器 性能的改善以及功能的扩展也非常有利。 ( 2 ) 设计了种硬件资源分时复用的的方法。在不影响传感系统反应速度的 情况下，传感器阵列( 后文将有提及) 中各个传感器的信号利用多路器共享( 分 西北工业大学硕十学位论文 第一章绪论 时复用) 一套信号调理电路。这种方法有效的节省了设计成本，大大减小了电路 的面积。 4 西北工业大学硕士学位论文第二章磁阻效应及磁阻位移传感器原理 第二章磁阻效应及磁阻位移传感器原理 本章在介绍磁阻效应的基础上，介绍了磁阻位移传感器的测量原理。 2 1 磁阻效应 2 1 1 霍尔电势 当载流导体或半导体处于与电流相垂直的的磁场中时，在其垂直于电流方向 的两端将产生电势差，这一现象称为霍尔效应。对应的电势我们称之为霍尔电势。 图2 1 翟尔效应原理图 如图2 - 1 所示，一块长为，宽为b ，厚度为d 的矩形导电板，两垂直侧面装 有电极。如果在长度方向施加电场使导电板产生电流j ，在厚度方向施加磁场强 度为b 的磁场，那么导电板中的自由电子在夕 加电场力矗作用下做定向( 沿，的 反方向) 运动的同时，还会受到洛伦兹力石的作用，其大小为： 兀= p 西 ( 2 1 ) 式中：e 为电子电荷；b 为电磁感应强度：v 为电子平均运动速度。 洛伦兹力 的方向可以用右手定则判定，如图2 1 所示。在外加电场和洛伦 兹力五的双重作用下，电子向导电板的一侧偏转并逐渐积累；正电荷则在导电 板另一侧积累，这样导电板的两侧之间形成附加内电场三0 。这个电场称为霍尔 电场。此电场对电子的作用力与洛伦兹力恰恰相反。随着两侧积累电子的增多， 西北工业大学硕士学位论文第二章磁阻效应及磁阻位移传感器原理 霍尔电场会不断增强，电子受到的电场力越来越大。最终，电场力与洛仑兹力等 值反向，电子不再偏转，导电板两侧的电荷停止积累，电场力与洛仑兹力达到一 种动态平衡，即有； e e m = e b v j e h = b y ( 2 2 ) 而相应的电动势就称为霍尔电势【0 ，可表示为： u m = e n b ( 2 3 ) 或 u h = b v b ( 2 4 ) 式中：b 为导电板宽度。 2 1 2 磁阻效应 磁阻效应( m a g n e t o r e s i s t i v ee f f e c t ，简称m r 效应) ，可以从霍尔效应进一步 推理得到。我们已经知道霍尔电场对电子的作用力是由于两侧电荷积累而逐渐增 大并最终与洛仑兹力达到平衡的，那么二力平衡之后，电子不再发生偏转，电荷 积累也就随之停止。当导体内定向运动电子的浓度为r t ，平均速度为v 时，根据 电流定义( 单位时间内流过导体截面面积的电荷量) 及图2 一l ，有： i = - n e v b d 从洛仑兹力开始作用起，由于电荷不断在导电板两侧积累所以导体内的运动 电荷密度1 , 1 也就不断地减少，电流，也就不断的减小。宏观上的表现就是导体的 电阻增大了。如果从洛仑兹力开始作用到其与霍尔电场力向平衡的时间相当长， 则导体的电阻将会显著增加，这一效应我们就称之为磁阻效应。 磁阻器件通常由铁、钴、镍及其合金等磁性金属构成。沿电流方向的电阻r 会随其内部磁化向量与电流方向间的夹角的变化而相应变化。磁化方向平行于电 流方向时r 为最大值r 一：磁化方向垂直于电流方向时r 为最小值r 。如图2 2 所示，无外部磁场时，磁阻器件内部的磁化向量平行于电流方向( 制作工艺决定) ， 此时电阻达到最大值如。存在外界磁场的作用时，内部磁化矢量会旋转一个角 度，使得磁阻器件电阻r 改变，并有如下关系式： r = r 。+ ( r 一一足。) c o s 2 q ( 2 5 ) 6 西北工业大学硕士学位论文 第二章磁阻效应及磁阻位移传感器原理 磐 ，察 j 邓t 1 ， i ，电漉方商? 嚣薏著 磁阻嚣件 图2 - 2 磁阻效应 可见，当外加磁场平行于磁阻器件内部磁化方向时，电阻不随外加磁场变化； 而当外加磁场偏离磁阻器件的内部磁化方向时，磁阻器件的电阻可发生约2 3 变化r ，( r = r 。一r 。) 。这就是磁阻器件的各向异性磁阻效应( a n i s o t r o p i c m a g n e t o r e s i s t i v e a m r ) 。 2 1 3a m r 传感器的惠斯通电桥 a m r 传感器是在有磁场( 使易磁化轴固定不动) 的情况下，由沉积到硅片 上的坡莫合金( n i 8 0 f e 2 0 ) 形成薄膜，然后利用制版工艺制成的电阻条。大部分 的a m r 传感器在把坡莫合金沉积到硅片上时被刻蚀成了惠斯通电桥，其桥电阻 一般在l k 左右。 惠斯通电桥由电桥激励和连接成四边形的四个桥臂电阻组成，主要用来精确 测量微小电阻变化。如图2 3 ( a ) 所示，桥路输出电压u 为： u = 酉r 十, & 气儿- 如& r 十, 也j u s ( 2 6 ) ( 羁十气儿如十也j 、 式中：墨，r ：，玛，墨分别为四个桥臂的电阻；虮为加在电桥上的电源电压。 7 西北 业大学硕士学位论文第二章磁阻效应及磁阻位移传感器原理 r + r 一 ( a ) 基本电桥 ( b ) 全桥差动补偿电路 图2 3 惠斯通电桥 适用于传感器的常用电桥有很多种，常用的有半桥电路和全桥电路，这两种 电路除了能补偿电桥非线性输出特性及进行温度漂移补偿外，还能提高电桥的一 个重要参数检测灵敏度( 即输出电压最大变化量与激励电压之比) 。灵敏度 较高的全桥差动补偿电路如图2 3 ( b ) 所示，其输出电压为： 删一等u s 式中r 。为桥臂电阻常数；a r 为桥臂变化常量；x 为桥臂电阻变化因子。 对于a m r 传感器内的惠斯通电桥，r o 为桥阻阻值，r = r 。一只。结合 式( 2 5 ) ，工= c o s 2 a 时，桥路输出电压可转换为： a u = 虮s c o s ( 2 a 0 ( 2 8 ) 式中s 为常系数，对于采用的h m c l 5 0 1 芯片来讲s = 1 2 m v v 。h m c l 5 0 1 中的电 桥按照图2 2 中矾的方向旋转t 4 5 。，如果此时参考角度用口表示则桥路输出就 变成了： 【，= 一u s s c o s ( 2 ( 0 + t t 4 ) ) ( 2 9 ) a u = u s s s i n ( 2 0 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 0 ) 式就是本论文采用的a m r 传感器h m c l 5 0 l 的输出信号表达式。这个表达式 在以后的介绍中将会用到。0 就代表了h m c l 5 0 1 中从磁参考方向到磁力线在芯 片中心处切线方向的角度。参考图2 - 4 ( b ) ，可以理解这个角度。 由式( 2 8 ) 可以看出输出电压与夹角有直接的关系。当外部磁场强度比内部 磁化向量高约4 0 高斯时( 对于本设计采用的芯片，外部磁场场强大于8 0 高斯) ， 8 西北工业大学硕士学位论文第二章磁阻效应及磁阻付移传感器原理 a m r 传感器就处于饱和的工作状态。在这种工作状态下，内部磁化方向与外部 磁场方向一致。q 即为外部磁场与内部电流，的夹角口。饱和态磁阻效应实际上 是角度的函数。可以预想，如果以a m r 传感器作为信号源，可以直接进行角度 的测算；但如果进行位移测算，就需要设计出相应的测量结构，并且要对信号进 行线性处理。 2 2 测量原理 由式( 2 1 0 ) 可以看出，a m r 传感器的输出实际上近似为角度的正弦函数。大 家知道，在正弦函数接近零点的两侧会存在近似线性的区闻，本设计就是利用传 感的线性区间来实现位移测量的。 ( 8 ) jl 悻燎箍j 融缸i 静) 一 ：夕 。、 ： y - 一 z _ n “= 一， 一 母? 皆嗲 一 ：、 ： ， ： 墨j 霾乞：篇裟僦k 。 醐 - “l l c 4 j r 8 d ：b畿2 黼一 参看e f l 2 - 4 ( a ) ，传感器芯片固定不动，移动磁钢由a 到b 时，( 为了作图方便 而选用此量，x 2 口) 由一x 4 变化到x 4 ，而传感器的输出则经历了从最 小值到最大值的变化。整个过程当中接近零点部分具有较好的线性度。如果取有 效线性区间，将从a 至l j b 的之问各个位置点线性关联到传感器的输出电压，那么我 们就能从任一时刻的输出电压得到当前被测物体的位置。前后两次测得的位置变 化量也就是我们要求的位移了。这就是本设计采用磁阻芯片进行位移测量的基本 为了保证芯片的磁饱和状态，被测物体( 附有磁钢) 的的运动轨迹不能距离芯 片中心太远，这就限定了一个芯片只能提供有限的感测范围。那么，如果要满足 较大量程的设计要求，就需要采用多个磁阻芯片同时进行传感。本设计根据量程 9 西北工业大学硕十学位论文 第二章磁阻效应及磁阻位移传感器原理 要求采用了传感器阵列将多个传感器的线性区间合理的叠加，就能实现量程的扩 大。这就要求每获得一个最终的位移结果都要对多个传感器的数据进行处理运 算。那么使用多套信号处理单元和多路a d 采样就能最大程度达到系统同步性和实 时性的要求。但是考虑到设计成本和板级电路规模的问题，硬件设计时，通过使 用多路器对传感器以外的硬件资源如：仪器放大器、a d 采样等进行分时复用。也 即用一套信号处理电路和单一的采样口对多路的传感信号循环进行采样处理来 解决成本和电路规模问题。具体的硬件实现可以参见系统的硬件设计章节。 2 3 小结 本章从磁阻效应出发，介绍了h m c l 5 0 1 内部的电桥结构，并进一步阐述了磁 阻位移传感器的工作原理。 i o 西北工业大学硕士学位论文第三章磁阻位移传感器的硬件设计 第三章磁阻位移传感器的硬件设计 3 1 设计指标及系统概述 3 1 1 设计指标 预研出实用的磁阻位移传感器，其技术指标和工作环境条件如下： ( 1 ) 技术指标 1 ) 位移测量范围：o 8 5m m 2 ) 位移测量精度：0 2m i l l 3 ) 分辨率：优于0 1m i l l 4 ) 线性度：0 2 f s 5 ) 重复性误差：小于0 2 衄 6 ) 数字输出：l c d 显示r s 2 3 2 通信 7 ) 模拟输出：o 5 v ( 2 ) 工作环境 1 ) i 作温度范围：4 8 5 2 ) i 作电压：5 , 9 v d c 3 ) i 作电流：3 5 - 5 0m a 除此之外，该传感器还具有温度补偿，与p c 通信等功能。 3 1 2 系统方案 为了达到指标中要求，采用8 个磁阻传感器h m c l 5 0 1 ，选用a d u c 8 4 2 作为着 中央处理芯片及a d 采样设备。考虑到设计成本及电路规模，8 个传感器输出的8 对差分信号( 每个传感器输出一对差分信号) ，通过两个八选一的多路器选通到 一路信号调理电路中。被选通的信号经过放大、滤波、偏置后接入到a d u c 8 4 2 的一个a d 采样口。微处理器负责循环选通多路器的各个通道并驱动a d 口对选通 的传感器的信号进行采样。采样获得的数据由微处理器进行处理后，得到最终的 位移数据，位移的测量的结果可通过串口输出，也可由l c d 显示。系统的硬件方 案如图3 1 所示。 西北丁业大学硕七学位论文 第三章磁阻位移传感器的硬件设计 。一_ 1 双8 选1 多路器 数据采集处 理系统 龇 i 一8 选l a d u c 8 4 2 + l l 模 并行i oi- 网 u m 胪卜+ p【一 拟 ii 7 - _ 1 微控制器； 一i广 数 ：+ i + + 一 - l - i 低通滤波 字j ；串口通信i叶丽 厂鬲r 十 _ l 广_ r i 1 5 0 1h + 转 u 温度传感 i - i m c l 5 ( j l l 仪器放大器l 换 器 l 显禁 阵列： 图3 1 系统硬件框图 3 2 硬件功能模块介绍及各部分信号分析 3 2 1 传感器阵列及其信号描述 传感器作为具有感测功能并为整个系统提供信号源的装置，其可靠性、稳定 性、精确性是系统能否很好运作的关键基础。本设计采用的磁阻传感芯片h m c l 5 0 1 是由美国的h o n e y w e l l 公司生产的。h o n e y w e l l 是重要的磁阻芯片供应商，其生产 的h m c 系列磁阻芯片在磁阻技术的应用市场中占主导地位。国内大部分基于磁阻 技术的传感器都是在h m c 系列芯片上基础尚进行的研究开发。 h m c l 5 0 1 功耗小，分辨率高，可以测量从一个磁铁发出的磁场的方向角。 其角分辨率可以达n o 0 7 。由于是工作在磁饱和状态，该芯片对温度和外界的 冲击振动并不敏感，因此能够适应于相对苛刻的外部环境。除此之外，该芯片还 具有下述优势： ( 1 ) 不需要稀土元素的磁铁，可以配合铝镍钻磁钢和陶瓷类磁钢一起工作。 ( 2 ) 角度范围比较宽，可以达到4 5 。 ( 3 ) 测量范围线性，有利于位移的测量。 ( 4 ) 八脚表贴封装适合小型化产品。 ( 5 ) 较大的信号输出，5 v 供电可有_ _ _ 6 0 m v 输出，有利于采样处理。 h m c l 5 0 1 内部采用惠斯通电桥结构，如图3 2 。其输出为一对差分电压信号。 虽然在5 v 供电时，该差分信号可以达! t i l j 4 - 6 0 m y ；但是本设计所用的a d 采样模块 的采样范围为肚5 v ，为了充分利用a d 动态范围，达到最好的采样效果，传感器 送出的差分信号经过滤波、放大之后才进行采样。 1 2 n ，同幽 西北工业大学硕士学位论文第三章磁阻位移传感器的硬件设计 h m c l 5 0 1 8o u t 7g n d2 6 5v b r i d g e 图3 2h m c i s o i 封装及内部结构图 下面是该传感器的一些重要指标： ( 1 ) 桥路供电电压1 2 4 v 典型为5 v 。 ( 2 ) 在供电电流为l m a 的情况下，桥路电阻为4 - - 6 k q ，典型为5 k f 2 。 ( 3 ) 5 v 供电的情况下，输出峰峰值电压为1 0 0 1 4 0 m v ，典型为1 2 0 m v 。 ( 4 ) 每1 v 的供电电压会产生约3 m v 的电桥偏置。 ( 5 ) 磁信号测试带宽为o - 5 m i - i z 。 ( 6 ) - 4 0 。c 1 2 5 。c 条件下，桥路偏置温度系数为0 0 1 p p m 。c 。 ( 7 ) 5 v 供电时，功耗约5 r o w 。 ( 8 ) 温度系数为 c o ：v ( t ) - v o ( o ) ：- - 0 0 1 。c ( 3 1 ) y 一时x t 式中，f 为当前温度，v ( o 和( o ) 分别是传感器在，和o 时的偏置电压一，。 为传感器的峰峰值电压。 由于出厂方并未给出每个传感器o 时的偏置量，而且设计者不具备温控室 来进行温度试验。设计中采用万用表的温度探头来相对精确的探测室内温度，在 2 5 ( 3 的情况下，测得各个电桥的偏置v ( 2 5 ) 。那么 ( 0 ) = v ( 2 5 ) + o 0 0 2 5 一础 ( 3 2 ) 则 矿( f ) = 矿( 2 5 ) + ( o 0 0 2 5 - 0 0 0 0 1 0 x 么m 一脚 ( 3 3 ) 上式就是我们进行偏置的温度补偿的依据。 每个传感器具体的偏置除受温度的影响外，也因个体而异。参考相关文献， 认为5 v 供电时的桥路典型输出为5 5 m v - 8 5 m v 。 若要保证输出电压在线性范围，磁阻传感器的感测的角度范围是有限的。定 义口为从芯片磁参考方向到芯片中心磁场方向的角度，如果按照图3 3 的结构， 上面提到的线性感测范围可以描述为：一3 万4 9 口s 万4 。在这个范围之外，传 感器虽然可以继续感测角度的变化，但其输出却不具各良好的线性。传感器的角 1 2 3 4 卅叫吼洲 西北工业大学硕七学位论文第二章磁阻位移传感器的硬件设计 _ = e 自l _ l j _ l t _ - _ 目- 自目- _ _ i _ l _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ l e _ e l l ! l = ，l e = e ，= l _ _ _ l _ 日j l i e l l _ _ _ 目l i 度范围和线性区间的理解可参阅图3 - 3 。 p 表m z 0 升舯磁毒考靠尚 袭小芯嚣的l 垮臀角何鬻 j旷罨一。膏，4 顷| | 2 w c1 2 5 2 5 被铡糟鬲 n m ，a 瑚。 0 。3 j r f 4 p 咎 ) 图3 3 传感器的角度范围及输出线性区间示意图 前面已经提至本设计为了扩大量程而使用了传感器阵列作为信号源。其硬件 实现如图3 4 所示。 图3 - 4 传感器阵列 本设计采用了8 个这样的传感器。合理的控制磁钢运动轨道到传感器中心的 距离，及传感器之间的距离可以使8 个传感器的线性区间相连并且有重叠的部分。 这样就可以有效地扩大量程，而且使得参与运算的传感器的信号在整个量程以内 都保持良好的线性。 3 2 2 多路器( m u l t i p l e x e r s ) 实现硬件资源多路复用 磁阻位移传感系统使用了传感器阵列，这就使得每获得一个位移数据必须对 八个信号源传来的数据进行处理。显然如果8 路信号同时进行处理的话，需要8 套信号调理电路，8 个a d 采样口，这样就能最大程度的保证采集数据的实时性。 1 4 西北工业大学硕士学位论文 第三章磁阻位移传感器的硬件设计 但这样的设计有下述的缺点： ( 1 ) 8 套调理电路将使电路设计面积剧增。 ( 2 ) 购买8 套调理电路的元器件将使设计成本大大提高。 ( 3 ) 系统功耗也随之大幅增加。 依据对信号源及信号传输调理电路的分析，本设计选择了c d 7 4 h c t 4 0 5 1 e 作为多路选通的器件对8 路信号源逐一选通。以此来实现对信号传输，a d 采样等 硬件资源的分时复用。这种方案是对信号采集的实时性优势和上述三个指标的优 化进行了折衷。 c h a n n e lf a 4 n s o u t i 舢 c o m o u t i na c h n n e lf a 7 i n o u t1 硒 ! v e e g n o v c c 般1 a 1 lc h a n n 毫l m r i n o u t a 3 j s 0 1 s 1 a 8 睢d d r c f t g g 8 2j 毛 i 图3 - 5c d 7 4 1 c t 4 0 5 i e 封装及开关真值表 c d 7 4 h c t 4 0 5 l e 可以用本系统的5 v 直流电源供电，该芯片有以下优点，较 小的导通电阻，开关间串扰小，导通电压范围可以从v e e 到v c c ( 本设计中v c c 接 电源，v e e 接地) ，开关反应速度快等。 8 个h m c l 5 0 i 的输出为8 对差分信号，我们使用两个8 选1 多路器分别对8 个传 感器的差分正信号和负信号进行选通，即两个多路器分别同时选通某一个传感器 的正信号和负信号。具体的选通操作将在后边的软件部分说明。值得注意的是， 多路器因管脚较多，其周围的走线比较复杂，为了保证差分信号质量，其正负信 号走线应尽量对称。 3 2 3 信号传输调理模块 信号调理模块的主要部件是a d 公司生产仪器放大器a d 6 2 3 。用该器件实现 信号的滤波、放大，偏置等。a d 6 2 3 是经典三运放式电路结构的，该放大器是一 种低价格、真正单电源供电的高精度差分输入单输出放大器。除上述仪表放大器 主要优点外，其输出还具有满幅( r a i l - t o r a i l ) 特性。其简化电路如图3 6 所示。 西北工业大学硕士学位论文第三章磁阻位移传感器的硬件设计 u i 2 1 8 7 4 图3 6 仪表放大器a d 6 2 3 结构简图 放大器电压输出。为： = ( + 薏) + u 肼 t ， 式中置为5 0 k 1 2 毪为增益调节电阻，单位艘；u 玉一放大器输出偏置参考 电平，f l j r e f 系列高精度电压基准提供。 电压增益g 为： g ：1 + 丝：i + 塑( 3 5 ) 屹 ( 1 ) 使用a d 6 2 3 实现信号增益。 为匹配本文d a q s - - a d u c 8 4 2 的a d c 输入范围( o - - s v ) ，针对传感器输出信 号范围，放大器增益g 、偏置参考电平u 玉应满足： - 0 0 5 5 g + u s e ，, 0 00 8 55 1 ( 3 6 ) 因为u r e f f t t r e f 系列高精度电压基准芯片提供。它只具备若干标称值。本 1 6 西北工业大学硕士学位论文 第三章磁阻位移传感嚣的硬件设计 设计根据信号特征采用了r e f l 9 5 ，它可以提供2 5 v 的精确电压基准。为保证测量 精度，在放大器最大输出幅摆范围内，增益越大越好。满足式( 3 3 ) 式的最大增 益为： 艇g 3 5 1 9 ( k n ) ( 3 8 ) 对单一的信号源来讲在此范围内选择增益调节电阻，应该使放大倍数越大越好。 这样可以充分利用a d c 的输入范围，获得较好的采样数据。但本设计采用的是传 感器阵列，一套信号处理电路需要同时满足每一个信号源的要求，而每一个传感 器都有各自的出厂偏置，因此放大倍数和增益电阻的选择就需要考虑所有的信号 源进行折衷。本设计选择的增益电阻是0 8 0 5 贴片封装中的一个标称值3 9 k s - 。 此时g = 2 6 “。 帮鼍， 一m 晒 图3 7 传感器信号放大、偏置示意图 图3 7 就是以标准偏置输出的信号源经过放大、偏置前后的波形图。 ( 1 ) 使用a d 6 2 3 实现滤波及阻抗匹配 从传感器获得的测量信号中往往还有许多与被测量无关的频率成分，也即噪 声。尤其是在本设计中传感器的信号经过近三十倍的放大才能充分利用a d c 采 样的位宽，那么被同时放大的就有这些噪声成分。如不加以滤除，将会严重影响 系统的精度。信号经典信号处理理论认为多数情况下，噪声信号和有用信号在频 域处于不同的频段，可通过一个频带选通系统滤除噪声信号。本节介绍的滤波与 阻抗匹配电路的功能就在于滤出信号中的冗余成分，如高频噪声，传输线引起的 干扰等，减小由于传输线内阻或传输线阻抗等因素带来的测量误差，达到提高测 1 7 西北t 业大学硕十学位论文 第三章磁阻位移传感器的硬件设计 量精度的目的。 根据滤波的不同手段，滤波可分为数字滤波和模拟滤波。数字滤波以软件实 现，将在后续的章节中提及。本节主要结合硬件设计介绍模拟滤波。 模拟滤波有无源滤波和有源滤波之分。无源滤波电路由电容、电感和电阻( 无 源器件) 构成。其优点在于设计及实现简单。不足之处是电阻元件值可能较大， 造成信号源内阻过大，不宜实现阻抗匹配。本设计中用仪器放大器( 有源器件) 搭建有源滤波器，同时完成滤波及阻抗匹配要求。 仪器放大器的带宽较窄，一般在兆赫范围内，射频信号虽然不能被直接放大， 但是却能通过发大器的输入端、输出端或电源引脚藕合到放大器内。再经放大器 内半导体整流，在输出端产生失调电压，严重影响放大器的直流性能。防止由射 频干扰引起整流的最好方法是利用一个位置靠近仪器放大输入端的滤波器。 本文应用的滤波电路如图3 - 8 所示。电路中既有共模滤波( 焉c , ，恐c 2 ， 又有差模滤波( 置+ 是，g ) 。若匹配不佳，则输入中的共模信号会在仪表放大器 的输入端变换成差模信号。因此，本文选择容差为5 的银云母电容，以确保c l 、 g 两电容的匹配性；选择容差为1 的金属模电阻，保证足，垦两电阻的匹配性 ( 这些元件靠近仪器放大器输入端对称分布，以便使滤波器达到最佳性能) 。电 容g 用于衰减可能由共模滤波匹配不佳引起的差模信号，其值应远大于c 1 或 c 。同时为了防止信号衰减，滤波器的等效r c 带宽( 共模带宽) 至少应为输入 信号带宽的1 0 0 倍。 + l n 匠”馘t 蕈2 k n 。4 ，：；午r g n 仉0 4 w t 己 ! ! 上 c 一 图3 - 8 仪器放大器前端r f i 滤波电路 本文系统中选择参数为：墨= 马= 4 0 2 盥，c l = g = 1 0 0 0 p f ，q = 0 0 4 7 u f ， 西北工业大学硕士学位论文第三章磁阻位移传感器的硬件设计 可计算出该滤波器共模带宽及差模带宽矽r 肼分别为： = = l _ 一。4 0 腽 2 ，r r i c l l 4 0 0 胁 ( 3 9 ) 上述是本文对仪器放大器输入端的滤波共模抑制方法，同样输出端也需设计 滤波器防止射频干扰。 图3 曲放大器输出滤波 如图3 - 9 所示，比较简单有效的方法是在放大器输出端串连一个电阻或是铁氧体 磁珠，再加一个电容可进一步改善滤波性能。 3 2 4 数据采集系统a d u c 8 4 2 本设计的数据采集系统采用a d 公司生产的集成了a d c 的高性能8 位处理 器芯片a d u c 8 4 2 ，如图3 1 0 示。该芯片具有下述特点。 ( i ) 8 0 5 2f l q 核，兼容8 0 5 1 指令集。 ( 2 ) 8 通道1 2 位a d 采样模块，采样速率最高可达4 2 0 k s p s 。 ( 3 ) 6 2 k 片上电可擦除程序存储器。4 k 片上电可擦除数据存储器。 ( 4 ) 2 3 k 的片上内存。 ( 4 ) 使用3 2 k 外部晶体，可程控倍频。 ( 5 ) 片上温度传感器，方便实行温度相关控制。 ( 6 ) 两路自带缓冲功能的1 2 位d a c 。 片上接口可以兼容u a r t , 1 2 c ，s p i , 行i o 。 1 9 西北工业大学硕七学位论文第三章磁阻位移传感器的硬件设计 d c 口 d c d c 5 0 c e b c 7 q i e f x t a