前言

Allegro A31315是一款多軸霍爾效應傳感器，憑借先進的集成信號處理能力簡化系統(tǒng)設計人員的諸多設計挑戰(zhàn)，這款先進線性傳感器還通過兩條先進線性霍爾傳感通道無縫集成至信號處理鏈路，可提供：

獨立的傳感器增益值和偏移量調整

兩點編程

四種輸出線性化模式

帶翻轉控制的復雜信號調理

16位輸出/結果寄存器

這些功能可以根據(jù)客戶的應用需求進行優(yōu)化配置，為眾多應用及其挑戰(zhàn)提供廣泛的解決方案。

許多系統(tǒng)設計人員面臨的一項挑戰(zhàn)是如何使傳感器適應其應用的磁性要求。當許多其他傳感器受到限制并且僅提供“最接近適配”時，A31315的信號處理模塊使設計人員能夠調整傳感器以適配系統(tǒng)的機械性及磁性約束。

本文將使用現(xiàn)成的磁靶SuperMagnetMan(料號C0255) 來簡要演示A31315的行為特征/性能和優(yōu)勢。該磁靶是一個1/4英寸的N40釹鐵硼材料正方體，但許多其它尺寸和材料的磁靶也是可接受的，只要達到±300G峰值的最小磁場范圍。該磁靶將用于演示其在側向滑移運動應用的能力，正如制動或加速踏板中可能用到的那樣。

本應用指南作以下假設：

讀者熟悉A31315的編程軟件環(huán)境

讀者熟悉兩點編程和線性化的概念

用戶可以通過編程軟件和適當?shù)木幊逃布ㄍǔＪ茿SEK20）與A31315進行通信

1初步工作

在應對特定應用的挑戰(zhàn)之前，最好先了解將要面臨的傳感挑戰(zhàn)的性質。本指南末尾提供的圖15應作為參考，以了解傳感應用中通常存在的問題。在評估圖15時，請記住輸入波形的特定屬性，以便知道要查看什么。

快速調節(jié)傳感器以適應系統(tǒng)的第一步是獲取霍爾傳感器輸出的基線讀數(shù)。這一步是最重要的，因為輸入特性對輸出信號質量的有效性影響最大。

圖 1：C0255磁鐵在30mm行程上所檢測的磁場

將圖1所示的測量信號與本文檔末尾的圖15進行比較時，它與兩個輸入通道不匹配和/或行程過長的輸入情況相符。對于A31315，用戶可以選擇通過以下寄存器調整系統(tǒng)增益參數(shù)：

Sens_c_a – 通道A的粗調靈敏度調整

Sens_c_b – 通道B的粗調靈敏度調整

圖 2：A31315軟件中的靈敏度調整寄存器

A31315還提供有助于使被測信號居中的偏移量寄存器：

Offs_c_a – 通道A的偏移量調整

Offs_c_b – 通道B的偏移量調整

圖3：A31315軟件中的偏移量調整寄存器

調整這些寄存器時，目的是使輸入信號最接近正弦和余弦信號。匹配度越高，輸出響應就越 “自然線性”。對于圖1所示的行程，本例選擇的行程范圍為-3mm到+3mm。

圖4：±3mm行程內所感應磁場的局部放大圖

在這種情況下，通道B將通過偏移校正受益：

CH_B: +50G

調整增益和偏移量的目的，是將感應信號校正為盡可能接近正弦和余弦形狀。

圖5：增益值和偏移量校正后的真實信號及其對應的理想信號

圖6：輸出信號與預期輸出，負計數(shù)于翻轉處處理

信號中的非理想性（圖5）導致報告位置非線性。輸出減小，甚至未達到一半（計數(shù)為32768），這可以通過行程中缺乏完整的360°正弦/余弦感應磁場來解釋。這種范圍上的限制可以通過兩點編程進行校正。非線性可以通過多功能的線性化引擎進一步解決，最多可進行33點校正。

使用兩點編程（有時稱為短行程），初始數(shù)據(jù)點被移動到計數(shù)為0點附近，而最終數(shù)據(jù)點經(jīng)增益補償被移到大約計數(shù)值65535（16位）處。有兩種方法可以在兩點編程塊中對系數(shù)和偏移量編程：

通過寄存器操作：

- Angle_gain

- Pre_gain_offset

通過 Samples 編程軟件半自動操作

寄存器操作

通過寄存器操作進行調整非常簡單，并且可以輕松手算。該區(qū)塊的相關寄存器可在EEPROM選項卡中的“短行程”下拉菜單中找到。

圖7：兩點編程的寄存器組選擇

為簡單起見，重點寄存器是：

pre_gain_offset：為起始值添加一個偏移量，通常是一個大小可調的值，將起始點推到零。值范圍從0到32767。

angle_gain：對已上報出的輸出值應用一個增益值。“角度”是旋轉應用的典型術語，但也適用于線性應用。值范圍從0到65535，增益為1與計數(shù)為1024等效。

對于線性應用，術語必須保持一致。軟件將值表示為影響性的角度；然而，該術語僅用于給出輸出寄存器從0到65535范圍的參考。對于pre_gain_offset，此寄存器將偏移量添加到從A31315內部CORDIC引擎給出的輸出中；如果輸出結果超出16位寄存器寬度，則凈效果是輸出翻轉。這對于將起始點歸零特別有用。

圖6恰好從零開始，但可以假設起始點位于計數(shù)為2458處，將初始點設置為零只需添加一個偏移量以強制結果等于65536：

偏移量 = 65536 – 起始點計數(shù)

偏移量 = 65536 – 2458

偏移量 = 63078

在圖8中，報出的最大位置是計數(shù)為32770的輸出位置。角度增益可以輕松校正此問題：

angle_gain = 期望輸出 / 實際輸出

angle_gain = 65535 / 32770

angle_gain = 1.999 (2)

圖8：應用增益后的新輸出

使用短行程工具

圖9：短行程選項卡

在Samples軟件中，可以跳過手工計算，并使用短行程選項卡即可快速執(zhí)行此步驟。

在這里，系統(tǒng)必須先被設置為最小位置，用戶只需按下“設置位置1”。軟件將問詢A31315并執(zhí)行初步計算。完成后，再將系統(tǒng)移動到最終位置并單擊“設置位置2”。通過單擊“計算并編程元件”來編程新值。

2輸出誤差

對于線性側向滑移應用，輸出誤差通常表示為百分比或絕對測量單位。在本指南圖10所示的示例中，非線性行為特征仍然存在。

圖10：未經(jīng)線性化處理的輸出誤差百分比

為了校正此誤差，必須應用線性化。為了獲得最高性能，必須采集更多數(shù)據(jù)點（33個）。在這種情況下，系統(tǒng)從起始位置到最終位置，以32個等距步長（從“零”開始總共33個位置點）進行步進。每個位置點都在A31315 Samples編程軟件中采集，并顯示在圖11中。

圖11：線性化選項卡，已記錄感應值（以角度表示）

一旦加載了值，單擊“寫入元件”將計算校正系數(shù)并對目標元件進行編程。

在數(shù)據(jù)已采集且預期位置已記錄的情況下，線性位置可以轉換為軟件的“角度”：

角度 = 360° × (計數(shù)_值 / 65536)

在這種情況下，軟件將導入一個CSV文件，其中第一列是預期位置，第二列是記錄位置。

圖12：線性化后的結果輸出

圖12展示了對原始曲線執(zhí)行的線性化后處理。為了提供有意義的細節(jié)，將真實信號與預期理想信號進行比較。線性誤差（通常以百分比表示）顯示在圖13中。線性化后，最終誤差從4.2%降低到0.28%。

圖13：應用平滑處理后全范圍內的線性化誤差百分比

3額外處理

一旦關注的信號經(jīng)過處理和線性化，在某些情況下必須應用限制以滿足某些系統(tǒng)規(guī)格或余量。A31315為用戶提供了一套工具，用于調整線性化后輸出信號的行為特征。

鉗位 (Clamping)

在某些應用中，要求限制傳感器輸出的信號范圍。假設作為系統(tǒng)故障安全設計的一部分，定義了10%的最小和最大余量。此限制可以通過應用以下寄存器進行設置：

Lower_clamp：建立信號塊的最小輸出值。（可接受的值從0到65535）

Upper_clamp：建立信號塊的最大輸出值。（可接受的值從0到65535）

65535的10%大約是6554，這將設置給lower_clamp寄存器。最大信號的90%將是58982，這將設置給upper_clamp寄存器。

飽和 (Saturation)

鉗位提供對其所見數(shù)據(jù)的約束功能。然而，如果從CORDIC模塊進入兩點編程模塊的數(shù)據(jù)導致寄存器溢出（計數(shù)數(shù)據(jù)將超過65535），就像角度增益增加的情況（參見圖6），輸出字可能會翻轉歸零并重新開始。這將表現(xiàn)為鉗位高值突然切換到鉗位低值，然后可能返回到上升的輸出。

而飽和是這樣一個模塊，它可以通過忽略表明傳感器正在超出當前感應限制的數(shù)據(jù)來抑制這種行為特征。此功能由以下寄存器管理和控制：

Post_gain_sat：設置為1以啟用飽和。

Post_gain_sat_val：輸入信號被忽略的交界點，可接受的計數(shù)輸入為0-255。

post_gain_sat_val的計算有多個步驟，需要一些考慮。詳細過程在A31315數(shù)據(jù)手冊中描述。圖14顯示了這些效應的一組集合。

圖14：鉗位和飽和功能的各種功能/效果

考量與結論

要實現(xiàn)高效設計，有必要了解系統(tǒng)預期輸出信號隨輸入變化的表現(xiàn)；條件允許時，應選擇契合傳感器正常工作范圍（±300G到±1000G）的磁性元件，以獲得更高信噪比，同時需明確行程的行為特征——直接線性路徑與 “線性” 弧形路徑各有獨特挑戰(zhàn)，而該多軸霍爾效應傳感器的功能可有效應對這些挑戰(zhàn)。

處理系統(tǒng)設計的簡要步驟：

獲取磁場在行程上向傳感器的映射。

查閱表（本文檔末尾）以快速參考元件中可能需要的功能。

確定機械操作范圍。

應用選定的信號處理模塊。

遵循該程序可最大限度縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，幫助設計人員更快獲取可行的解決方案；而集成信號處理模塊能便捷調節(jié)系統(tǒng)，在降低處理器與軟件負荷的同時，提供更優(yōu)結果。

圖15：常見輸入問題及其彌補措施列表