霍尼威尔磁阻传感器及其应用

霍尼威尔磁阻传感器厦其应用 一63一 ●综 述 霍尼威尔磁阻传感器及其应用 重庆执诚医疗仪器有限责任公司 潘建 Magnetic Resistance Seraor and Its Appfication Pan Jian 摘要：介绍了霍尼威尔公司的 HMC和 HMR系列磁阻传感器的主要特点和引脚排列，详细论述了 HMR23GO磁阻传感嚣的特．董、命令、数据格式和应用注意事项。最詹给出了用霍尼威尔公司磁阻传 感器进行一维和二维·巨流源测量和数字接 口的应用电路，同时给出了使用HMC2300、ADC、单片机、 RS232接 口和置住／复位电路构成的三维磁场测量电路。 关键调：磁 阻传感器； 测量； 磁场；HMR23(30 分类号：TP212．13 文献标识码：B 文章编号：1006—6977(2002)02—0063—06 磁阻传感器早在大约 200O年前就开始使用，最 早的磁阻传感器是一块有磁极的磁石，人们用它来 在无航道的大海上指示方向。然而，直到 20世纪，磁 阻传感器技术虽已具有更高的灵敏度、更小的尺寸 和与电子系统更好的兼容性，但它仍然主要使用于 航海中。随着现代科学技术的发展，各种各样的磁 阻传感器不仅可以测量来 自地球磁场的存在、强弱 和方向，而且可以测量来 自永磁体、软磁体、车辆移 动、脑电渡的活动以及电流所产生的磁场。由于磁 阻传感器可以不经过物理接触就能测出它们的特 性．因此，磁阻传感器变成了许多工业和航海控制系 统的“眼睛”。 l 霍尼威尔公司的磁阻传感器 霍尼威尔磁阻传感器一般由四个磁阻组成惠斯 通电桥，其供电电源为Vb。当电阻中有电流流过时， 在电桥上便施加一个偏置磁场 H，这将使得两个相 对放置的电阻的磁化方向朝着电流方向转动，从而 引起电阻阻值的增加；另外两个相对放置的电阻的 磁化方向背向电流方向转动，从而引起电阻阻值减 小。这样 ，便可在线性区域输出和外加磁场成正比 的信号。霍尔威尔公司的 HMC系列磁阻传感器主要 有以下特性： ●磁场范围宽，其磁场测量范围高达4-6高斯； ●把一维和二维传感器结合在一起可进行三维 测量。其中，一维磁场传感器采用 8脚 SiP、8脚 s0Ic 和8脚DIP塑料封装形式 二维磁场传感器采用 16 脚和 20脚 SOIC封装； ●结构可靠； ●集成度高，片内集成了霍尼威尔公司取得专 利的置位／复位技术，因而可以减少温度漂移、非线 性误差以及在高磁场环境中对输出信号造成的影 响。而片内偏置电路则可消除磁场失真的影响。m噩c 系列磁阻传感器的主要型号如表 1所列．图 1所示 是其中 6种型号的引脚排列和定义。 2 智能数字磁场计 HMR23oo 2．1特点 HMR2300是霍尔威公司生产的智能数字磁场 计。其主要特点如下： ●自带微处理器； ●成本低，使用方便，支持即插即用； ●量程为4-2高斯，分辨率达 67微高斯； ●采样速度可选(10—154采样点／秒)； ●可进行三轴数字输出(BCD码、 scⅡ码或二 进制码)： ●具有 9600或 19．2渡特率； ●带有符合 RS一485接口的标准总线，可连接 裹 1 HMC系列磁阻传童器的主要型号 产品型号 可测量雏数 灵敏度 封装类型 HMC1001 1 3mV／、r／G 8脚 SIP HMC1002 2 3mV／V／G 20脚 SOIC HMC1021D 1 1mV／、r／C 8脚 DIP塑封 HMC1021Z 1 1mV／、r／C 8脚 SIP HMC1O21S 1 1m、r／V／G 8脚 SOIC HMC1022 2 1mV／V／G 16脚 SOIC 维普资讯 http://www.cqvip.com 64 《国外电子元器件}2002年第2期 2002年 2月 J OUTt Il¨ Vbfi cge G OI!T一 l 瓣 ： 强 nH c 1122管辫 }} l H E系列磁阻传感器的dI脚排列 多个单几； 而 BCD，ASCII格式虽然便于fjJ户理斛，世每次凄取 ～ - ●符台I坞一232葡准，可进行堆点读数。 数据均需传送28个字节，这刈采样速率仃 定限 2 2输入命令 制 表3昕列是儿种格式的参数选择方‘止 轴智能数字磁场计 HMR2300口J用来检测磁 场的强度和方 1，弗一lI与计算机直接通讯以输出 x 、、z 个轴的分量。t{MR3300采用二仑独立的桥路 求定 俭测磁场的 X．Y、z一个分量 ，电桥输出端相 应电 的变化 晦通过 一j卜16协 AD转换黔转换为 数 量 输人命令 态数据(包括采样速率、输}【j 格式 、 孚均读数和零点偏移) 可利蹦电路板上的 EF；PRIIM来存惴仟意一项组态变化以便为 一次通 电f1准备 HYlI~2300的其它输八命令包括波特率蹬 、 装置的 ID母码殴嚣和系列号码设置等，嘲时可 选择 50Hz或 601fz数字滤波器来抵消环境磁场造成 晌 1扰 、 HMR2300可以通过简单的命令来 磁场计进 {r通讯，这 命令uf通过标准键盘和任何通讯软件 (如 Windows·1·的超级终端J输人。 2为 HMR2300 的输人命令集 2．3 数据格式 HMR2300 一 的 、llv、z至 蝴 出均 l6位数字 量．输H1数据格 可以足带符号的 16位数 泮}号忙 +l5位数字 也flJ以是 BCD ASCII码。逦过“ddA”命 令可选择A7．qd[1格式；而通过”ddB”命令则可选择 进制格式 。 按 进制格式输H{的顺序是：x lhi、x in、Y}li、Y 7 hi、Z b、 _ 二进制格式只需传输 7个字节。 HMR2300的_-逊制格式如下：f7‘j ) XH I XI I YH I YL I ZH I ZI I(t-r) 其中：xH表示 x轴高字节，带符 号；XL表示x轴低 字节； cr)为输八键，二进制码为 叫一 进制码在显 示器上显币的是一些不可辨认的符号，但如果采用 计臂机进行读数，这种格式则是最佳格式。 ASCII格式如下 ：(28字节) SH I X1 I X2 I X3 『X4 I X5 l SP 5P SN I YI I Y2 I(：M I Y3 I Y4 f Y5 I SP I SP I 、 『Z1『Z2『 CM I Z3 I Z4 I Z5 I SP }SIP I (-f AsCII码在显示 器上的显示为可阅读的带符 号 的十进制数，因此 ，AscIl码格式对丁用户凄数是最 佳格式 。 崔 ASCII格式中，‘ )为输人键，j￡．进制码为 0D： ， SP为空格键，二进制码为 20 ：SN岳示符号，如 为负，二进制码为 2D；如为正，则为 20；CM为逗号： 如果开始数不为零，其二进制码为 2c；如果JI：始数 为零，二进制码为20。 2．4输出采样速率及命令介绍 刘十不同的输出采样速率，参数选择也有1_斤不 同，轰 3所列为I-D,IR2300的参数选择 采样速率可通过 “R： 命令在 10～154t 之 问没定。每一次采撑输出的 x、Y、z陵数c—n 采用 一 进制码或 ASCII码输出，并口n匝过农2来综台选 I_l-一 一二至 ， 1 j =三 m㈣__ ㈣ ⋯ +十 十 e i j + + ～ Ⅵ 维普资讯 http://www.cqvip.com 霍尼威尔磁阻传感器及其应用 一65一 裹2 HMR系列智健磁阻传感嚣输入命令集 命令 j1人 响应 解释 *dd^ ASCII ON ASCII输出读敦 BCDASCII格式(出厂时默认) 格式 *ddB 二进制 ON jl出格式为带符号的 16位二进制数 *ddP (X、Y、Z读数) jl出一十采样点的数据(出厂时耿认) {l出 *ddC (X、Y、Z数据流) 按固定采样连事连续输出鼓据 ESC (数据流停止) 停止连续采样 设置采样遵事：~tlll=10，20，25，30．40，50，60．100，123，154 采样速率 *ddR =／lnll OK 点／秒(出厂对默认为2ol,t~) *ddT S／R ON ON：自动的 S／R脉冲(出厂时默认) 置位腹 位模式 或SIROFF OFF：手动的S／R脉冲 SET 空格键：单一形式的 S／R：SET为置位脉冲 SP^ CE RST RST为复位瞄：冲 *99ID ID=IIn 读装置的 ID号(出厂时默认 ID=oo) 装置的 m 号 *ddWE*dd1D=tin OK 设置装置的 ID，lIIl可从 o0至98 *ddWE OK *99J BR=S 波特率 = 9600 设置波特率为96ooh~(出厂时默认) 波特率 *ddWE OK 波特率=19200 设置波特率为 19200b1~ *99 1 BR=F 零点ON后 零点读数将存储现有读数．将其作为反向倡置，读取jl出 零点读数 *ddZR 零磁场；下一次ZR命夸将关闭这一命令(出厂时耿认设置 零点 OFF 为OFF) 平均值 ON或 按下式对当前点x(N)进行平均：Xavg=x(N)／2+x(N一 平均读数 *ddV 1)／4+X(N一2)／8+X(N一3)／16+． ．每一吹j1人该龠夸 平均值OFF 将执行与上一次相反的龠夸(出厂时戢认设置为OFF) 读设置参数 (ASCII、POLLED、S／R ON、ZERO OFF、AVG 询部设置 *ddQ OFF、ID=00、2oh,~) 注意：1．所有输入必须带回车，大小字母均接受，器件编号是十进制散 o0到99，99是通用编号，裱所有器件均起作用； 2．只有当COM设置为9600或 19200波特率、1位停止位、无奇偶校验以及8位数据位时，HMR2300才会响应。 择数据格式和波特率。注意：当HMR23(D以较高数 据输出速率出现误读数时，可选择较低的数据速 率。但用高速采样速率时，建议设置终端优先状 态，因为这样可防止换行信号 (LF)加人到人站数 据中来，但同时它也将延缓数据接收速率，并有可 能不能和输人数据流同步。 采样遵事 ASCII码 二进制码 F3dB 陷渡频率 命夸j1入 bpB 9600 19200 9600 19200 (H=) (Hz) 遵事(ms) 10 yes yea yes yea 17 50／60 20 20 yeS yea yes yes 17 50／60 20 25 ，姻 ，姻 yes yes 21 63，75 15 30 yea yes yes yes 26 75／90 J4 40 数据无效 yes yeS yea 34 100／120 10 50 数据无效 yes yes 42 125／150 8 60 数据无效 数据无效 yea V瞄 51 150／I80 7 100 数据无效 数据无效 yes yes 85 250／3o0 4 123 数据无效 数据无效 yea yea 104 308／369 3．5 154 数据元效 数据无效 敷据无效 ，eB l3l 385／l舶2 3 维普资讯 http://www.cqvip.com 一 66一 《国外电子无器件)2002年第2期 2O02年2月 (1)输入信号衰减 被测的磁信号将根据采样速率的不同产生不同 的衰减，表 3中同时给出了不同采样速率对应的带 宽 (定义为 3dB点)，出厂时设定的 20bps，对应的带 宽为 17Hz。HMR2300内部的数字滤波器包括带阻滤 波器和低通滤波器，可以提供线性相位响应，其传递 函数具有陷波点(零点)。 (2)命令输入速率 HMR2300限定了在不同采样速率下接收命令 字节的时间。表 3也给出了从发送命令到HMR2300 正确地接收到命令的时间。使用键盘输入命令不会 存在问题，但如果是从计算机程序中发出的命令，那 么，时问过快可能会存在一些问题。 (3)置位／复位命令和平均值命令 置位／复位功能将产生一个 4A的脉冲，这相当 于 100Oe的磁场，该磁场可以使每一个玻膜合金传 感器重新确定磁化方向，以提供最大的输出灵敏 度。这一电流脉冲由H_MR2300内部产生，其典型耗 电电流不超过 lna~．。置位／复位命令 (-kddT=S／R ON)用于触发内部的开关电路以产生置位或复位脉 冲。这一功能可用来消除温度漂移所造成的影响， 以保证传感器工作在最敏感的区域，但执行这个功 能会带来其它噪声，可用取平均数的命令来消除或 减弱 (★ddV—AVG=ON) 取平均数功能相当于一 个低通滤波器，能减少由于s／R的开关动作和环境 磁场干扰产生的噪声。测量磁场强度不需要切换置 位／复位电路。一个置位 (或复位)单脉冲可将最大 的灵敏度输出保持数月甚至数年。如果要关闭这种 内部开关功能，可再次执行置位／复位命令(*ddT= s／R OFF) 这时传感器既可接受置位脉冲，也可接 受复位脉冲。如果传感器暴露在强磁场下 (大于 20 高斯)，那么将需要再次复位以保证获得最大的输出 灵敏度。 (4)装置的Ⅲ 号 设定装置 Ⅲ号的命令 (★99ID=nil)将改变 HMR2300的ID号，在执行这条命令之前需先执行允 许写入命令 (=ddWE)。在使用 RS一485进行通讯 时，该命令非常有用，因为在网络上有不止一个 HMR2300。ID=99是统一地址，可以同时和网络上的 所有单元进行对话。 (5)零点读数命令(*ddZR) 该命令可将读取的一个磁场数值存人单片机 中，该值将作为一个偏置量在进行以后的读数时被 减去。零点读数命令可由另一次-kddZR命令或系统 掉电来终止。当需要建立参考方向或在进行异常检 测前将磁场调零时，这条命令非常实用。 (6)波特率命令 波特率命令 (-k dd[BR=F／S)主要用来设置高 速(19200bps)或低速(9600bps)波特率。在执行该指 令前需先执行写入命令(★ddWE)。 (7)默认值设置命令和存储设置命令 默认值设置命令(★ddD)可以将 HMR2300的所 有参数强制设置为出厂参数。执行完该指令后再执 行存储参数命令才可永久性地改变。使用存储设置 命令(★ddRS'F)可将所有参数存人 EEPROM。 (8)数据通讯 RS232信号是可同时进行单端单方向的发送和 接收的全双工通讯信号。它的一路信号从PC(Tx)至 HMR( )，另一路则从 HMR(Tx)至Pc(Rx)。当传送 逻辑“1”时，Tx线和 线将驱动相对于地 一7v的电 压。而当传送逻辑⋯0’时，则将驱动+7v电压。由于 这种信号的传送依赖于绝对电压值，同时线路噪声 和信号衰减也将使得传输距离受到限制，通常的传 输距离为 印英尺。 RS485信号是平衡的差动信号。当传送逻辑 1 时， 将比Rx线高 1．5V；当传送逻辑 0时，Tx将比 Rx低 1．5V。差动信号传输不是依赖于绝对电压而 是依赖于电压差，因此，它将使信号对噪声具有较强 的抑制能力。其总线长度可达 40O0英尺。需要说明 的是，因为是平衡接口，因此在总线的两端都要接 120的终端电阻。 2．5 HMR2300的应用注意事项 在使用 HMR2300时，需要注意以下几点： (1)镍、铁、钢、钴等铁磁性金属靠近磁场计会造 成对地球磁场的干扰，进而影响到x、Y、z的测量精 度。 (2)测量其x、Y、z磁场必须考虑地球磁场的影 响。在地球的不同地方必须考虑到地球磁场的不 同。在南极 、北极和赤道地区，地球磁场具有明显的 差异。 (3)如将 HMR置于 10高斯以上的磁场中，则 HMR必须去磁，否则将会引起 HMR输出超过指标 所要求的零磁场输出码而造成严重的零点偏移。 (4)HMR磁场计在测量 2高斯以内的磁场时的 维普资讯 http://www.cqvip.com 霍尼威 尔磁阻传感器及其应用 分辨率为 了0微高斯。在用计 算机软盘存储数据时，磁场强 度约为 l0高斯，即HMR接收 杂散磁场干扰的灵敏度 比一 般磁盘强 lO倍。所以，保护磁 场计至少要象保护软盘一样 使其远离电机、显示器和磁 铁，否则虽然不会象软盘一样 把数据抹去，但会记忆这些磁 场的干扰并影响精度。 3 典型应用 3．1磁阻传感器应用电路 图2所示是一个一维恒流源的测量和数字接口 lHMc1 7，18I 16 电路，其二维恒流源的测量及数字接口电路如图 3 所示 。 图4是一个使用 HMC2003磁敏传感器、12位 。 _T_T-__o V日口 年 h 1 F 瑚^ 232L 1 u F 暑 。 PlC16c54 MAX232EWl 12 11 ． ●Tx 趋 一 13 12 l 3 ■Rx 35 G 1 ■G帕 一 ●5V 口 4MHz 1 5v—·一 ●15V 图4 磁场强度测量电路 维普资讯 http://www.cqvip.com 一 68一 《国外电子元器件>2oo2年第2期 2OO2年2月 A／D转换器、PIC16C54单片机、Rs232接口和置位／ 复位电路构成的三维磁场测量电路。 3．2 磁阻传感器的置位／复位脉冲电路 磁阻效应传感器的置位／复位电路有多种 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方海，应根据成本预算和实际的磁场分辨率来选择 最佳的 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 。实际上，置位脉冲和复位脉冲对 传感器所起的作用基本一样，唯一的区别是输出正 负号的不同。进行置位或复位需对玻莫合金薄膜施 加 3—4A、20—50ns的脉冲电流，置位／复位脉冲宽 度为 2微秒。该脉冲宽度对整个电源的消耗具有直 接的影响。一个单脉冲只能在一个方向驱动。如果 用 4A的脉冲对传感器进行置位 ，那么脉冲将下降 到零电流以下。任何电流的负脉冲信号都会对传感 器“复位”从而影响灵敏度。置位／复位电流脉冲的 大小取决于系统的磁噪声灵敏度，如果最小分辨率 为 100微高斯，通常需要4A的脉冲。 置位／复位引脚的名称是 S／R+和S／R一．这是 一 个简单的金属片．没有极性的区别，其标准阻值为 1．5n。对于三轴系统，三个金属片的串联阻值为 4．5n。如果同时使用三个轴，金属片应以串联形式 进行连接以保证三个敏感元件上能够流过相同的电 流脉冲。将脉冲驱动电路的内阻设定为 0 5n可驱 动 50的负载。用一个 3—4A的最小脉冲来驱动一 J o．1 u F 2N3904 2 7 ． 8 1)频使用低引线电阻钽电客 2】B~XFETS的导通电阻小于0 2n 图5 微处理器控制的置位／复位电路 个 5n的负载所需要的供电电压为 15—20V。 图 5是一种可在微处理器的控制下产生大于 4A的置位／复位强脉冲电路图。利用该电路可在微 处理器 的控制下产 生置位和 复位 信号以控制 }玎ⅨⅢ r驱动器(mF7106)的 P和 N通道。引入 ⅡLs 和TSR延时的目的是确保在一个HEXFET开通之前 使另一个HEXFET闭合，这类似一个先开后合的开 关接点。利用这一开关可在 4．7,uF电容处得到一个 电流脉冲。如果需要考虑电源处的总噪声和衰减， 则可在 4．7,uF电容和脉冲输 出点之间串接一个 50012的分压电阻。如果不使用微处理器．也可用时 钟信号来触发置位和复位信号。 牧稿 日期 ：2001—05—25 咨询编号：020223 ≮ ‰ ●元 器 件 快 讯 CMOS线性敏感器阵列 TA(~S公司的CMOS线性敏感器阵列除可敏感 光强信号外，还可以给出空间信息。该线性阵列器 件有 200、3OO和 400DPI(每英寸的点数)三大类共9 种产品，像素数可从 64到 1280点。表 1是这类器 件的几种基本参数。 这些 CMOS线性敏感器件内含线性光电二报 管阵列，每个光电二极管均可检测入射光强度 ， 并可输出与积分时间和入射光强成正 比的模拟 或数字电压信号。 卑 却 利用 CMOS线性阵列可以进行高精度位置检 测 、边沿检测、光学线性循环编码、标记探测以及 光学字符识别等，并可广泛地应用于纸张处理、工 业 自动化、医疗诊断和电子产品等领域。TA(~S公 司的多种光敏感器件能满足各种应用需求。设计 者可在设计产品时灵活地选取 自己所需的敏感 器 ，因此 ，使用该 cMos线性敏感器阵列可为设计 人员提供最大的方便。 咨询编号：020 4 表 1 CMOS线性敏感器的基本参数 TSL201 TSL202 TLS208 TSL140l TSL1402 TSLl406 TLSl410 TSL3301 点密度 2∞ 200 200 柏O 4O0 4O0 4O0 300 像素数 64 128 512 128 256 768 l28o lo2 速 率 2 2 2 2 2 2 2 1 线形废 8一bit 8一bit 8一bit 8一bit 8一bit 8一bit 8一bit 1 51sb 输出 I路模拟 2路摸拟 1路模拟 1路模拟 2路模拟 2路模拟 2路模拟 8位数字 维普资讯 http://www.cqvip.com