mlx90393的霍尔效应空间角位移传感器设计

MLX90393

的霍尔效应空间角位移传感器设计

汪浩宇

,

韩嘉骅

()

四川大学

机械工程学院

,

成都

610065

摘要

:

基于

ML

详细阐述了该传感器的工作原理

、

设计方法和数学模

X90393

芯片设计了一种新型的空间角位移传感器

,

型

。

该传感器基于霍尔效应可以测量空间

X

、

通过数学建模将这三个值转化成空间角位移

Y

和

Z

三个方向的磁场分量

,

,

分量

α

和

β

从而确定一个物体在空间中的角位移

。

本实验基于一个空间角位移平台和

S

捕获以

TM32

硬件开发平台

,

及输出

ML

经过计算机处理

、

统计分析以及数学建模

,

最终得出物体在空间移动时的角位移数据

。

X90393

测量数据

,

关键词

:

ML

空间角位移传感器

;

嵌入式系统

;

X90393

芯片

;

STM32

中图分类号

:

TG156

文献标识码

:

A

DesinofHallEffectSatialAnularDislacementSensorBasedonMLX90393

gpgp

sorcanmeasurethemaneticfieldcomonentsinthethreedirectionsofsace

gpp

:

An

,,

Abstract

ovelsatialanulardislacementsensorbasedonMLX90393isdesinedinthis

p

aeritsworkinrinciledesinmethod

pgpgpgppg

(,,)

SchoolofMechanicalEnineerinSichuanUniversitChendu610065

,

China

ggyg

,

WanaouHanJiahua

g

H

y

erimentisbasedonasatialanulardislacement

p

latformandSTM32

gpjpppgp

X

,

Y

,

Z

,

andconvertthesethreevaluesintosatialanulardislacementcomonentsαand

β

breasonablemathematicalmodeltode-

pgppy

a

hardwaredeveloment

p

om-

pypp

movesinsace.

p

,,

uter

p

rocessinstatisticalanalsisandmathematicalmodelintheanulardislacementdataoftheobectisfinallbtainedwhenit

pgyggpjy

o

:

ML

;

Keords

X90393

;

satialanulardislacementsensorembeddedsstem

;

STM32

pgpy

y

w

引

言

4

]

,

测量磁场强度的要求

[

具有很强的适应性和灵活性

。

角位移测量被广泛应用于军事

、

汽车

、

航空航天以及

1

硬件设计

1.1 MLX90393

工作原理

)

公司生产的一款小封

MLX90393

是迈来芯

(

Melexis

装低功耗的三轴霍尔传感器

。

该芯片基于霍尔效应和

生活和娱乐等各方面

。

在力学领域可以利用角位移传感

器测量轴类零件受力作用后引起扭转轴变形产生的扭转

1

]

;

角位移

[

舵角采集系统角度的采集精度和稳定性对船舶

2

]

;

自动舵性能的发挥具有非常重要的影响

[

在车辆行业

,

现在大多数车辆的操纵手柄都采用非接触式的角位移传

感器

,

利用角位移传感器检测操纵手柄的空间位置

,

发出

相应的控制信号

。

目前常用的角位移传感器包括光电式

、

电磁式和霍尔

式的传感器

,

还有很多新型传感器也在相继问世

,

例如光

1

]

、

纤角位移传感器

[

基于永磁体在磁性液体中悬浮原理的

3

]

新型一维倾角传感器

[

等

。

1.2

电路设计

实现数据的输出

、

分析与处

SPI

总线与上位机进行通信

,

理

。

其硬件电路如图

1

所示

。

上位机以

MLX90393

和

STM32F103C8T6

单片机为

核心元件

,

加上

C

计算机在线编程及

AN

总线通信模块

、

串口收发电路

、

电源模块等外围电路模块

,

构成了空间角

位移传感器的硬件电路

。

其硬路原理框图如图

2

所示

。

计算机通过

JTAG

模块将

SPI

总线通信程序

、

CAN

可以空间中精确测量正比于

X

、

Melexis

技术

,

Y

和

Z

轴的

磁通密度

,

提供精度高达

1

通过

6

位分辨率的输出结果

,

基于

MLX90393

的空间角位移传感器是一款非接触

式的角位移传感器

,

可有效避免使用过程中的摩擦和磨

损

,

具有很长的工作寿命

;

体积小

,

安装方便

,

适用于各种

测量环境

;

还可以通过改变固件的方法适应不同环境下对

总线通信程序

、

数据读写与处理

MLX90393

初始化程序

、

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()

g

2020

年第

4

期

6 3

图

1 MLX90393

硬件电路设计原理图

图

4

硬件电路

(

背面

)

序等

。

软件设计原理框图如图

5

所示

。

图

2

硬件电路原理框图

程序等下载到单片机中

,

同时计算机通过

UART

接口与

单片机进行通信

,

对接收到的磁感应强度数据和整个系统

的工作状态进行实时监测

。

MLX90393

检测到磁感应强

度数据后通过

SPI

接口将这些数据发送到单片机进行处

理

,

转换成角度数据

,

然后利用

CAN

总线通信模块将信

号发送给执行机构控制其运动

。

其硬件电路模设计如

图

3

和图

4

所示

。

5

]

图

5

软件设计原理框图

[

MLX90393

的初始化实际上就是上位机对

通过向

MLMLX90393

寄存器初始化的过程

,

X90393

相

关寄存器写入相应的数据来完成

。

初始化过程如下

:

①

温

度补偿使能以及温度补偿系数设定

;

②

数据传输速率以及

待测量参数的设定

;

输出数据精度的设定

;

③

输入

、

④

测量

传感器会按一定的时间间隔周期性地对空间

X

、

Y

和

Z

三个方向的磁感应强度进行采样

。

一个传输周期传感

器会经历测量和待机两个阶段

:

测量阶段是传感器将温度

以及磁场信号转换为数字信号的时间段

,

用户可以通过参

数

MDATA

选择传感器输出

Z

、

Y

、

X

、

T

四种信号任意一

个或多个

;

待机阶段即一次测量结束到下一次测量开始的

等待阶段

。

传感器读出原始的磁感应强度数字量信号以后

,

通过

模式以及其他一些相关的设定

。

图

3

硬件电路

(

正面

)

2

软件设计

通信程序

、

MLX90393

初始化程序以及数据读写与处理程

软件设计包括

STM32

单片机初始化程序

、

SPI

总线

6 4

Microcontrollers&EmbeddedSstems

2020

年第

4

期

y

www

.

mesnet

.

com

.

cn

合理的数学模型将磁感应分量转换成正交的两个空间

角度

。

3

实验平台

平台

,

该简易实验平台用于测量空间角位移

,

并利用上位

机对所测得的角位移信息进行分析与处理

。

该平台主要

包括

5

个部分

:

底座

、

万向节装置

、

摇杆

、

基于

MLX90393

的空间角位移传感器以及

424Z

型角度传感器

。

图

6

所示为本实验设计的一个简易空间角位移测量

、、

:

如表

1

所列

)

xz

与

β

之间的关系

(

y

(,,)

=fxz

y

β

(,,)

α=

g

xz

y

的变量

,

没有相互影响

,

所以可以先通过控制变量

α

研究

、、

再通过控制变量

β

研究

xz

与

α

之间的关系

:

y

、、

表

1

实际旋转角度与

xz

三个方向的磁感应强度分量

y

ADCx

τ

y

zADCx

υ

y

z

、

具体的研究方法为控制变量法

,

由于

α

β

是两个独立

2943-22868

2854-22966

2675-23053

2496-23147

2356-23173

2270-23227

2089-23335

1923-23481

ADCx

-360-19023

-28885390942817-19092

-242-19209

-522-19348

-405-19370

-212-19500

-94-19663

-5388343551858-19844

y

zADCx

-3132437015

-2769336819

-2422536385

-2008235664

-1723835277

-1269534220

-851632935

-456331372

y

z

φ

χ

图

6

角位移测量平台

3004-19280

2892-19380

2662-19556

2502-19680

2355-19678

2152-19892

2047-19907

1888-20110

-327-22170

-28839367952868-22273

-22996360782769-22336

-552-22495

-370-22611

-13-22639

-8563329241995-22819

-5-22956

-3197737763

-2781037390

-2539437176

-1981036293

-1539335315

-1179434658

-669432725

-131630475

底座起支撑固定其他部件的

作用

。

万向节装置可以分别绕

X

轴和

Y

轴进行转动

,

在空间中产

生如图

7

所示两个正交的旋转角

,

度

α

和

β

这两个角度可确定摇杆

在空间任意一点的位置

。

摇杆底

部安装一个直径

8mm

的圆形磁

钢

,

用于产生磁场

,

当摇杆转动时

磁钢会转动相应的角度

,

从而使

X

、

Y

和

Z

方向的磁感应强度分量发生变化

。

这三个磁感

图

7

空间角度

α

和

β

χ

=6

通过操纵手柄绕

x

轴旋转采集到的

X

、

0

情况下

,

Y

、

Z

三个方向的磁感应强度分量与实际旋转角度

β

之间的关

来表示

,

它是

4

与实际旋转

24Z

型角度传感器的输出数据

,

、

它们

0~4095

。

三个方向的磁感应分量用

x

y

和

z

表示

,

表

1

中所列数据是

α

在分别为

τ=15

、

υ=30

、

5

、

φ

=4

应强度分量可以被

ML

并通过

SX90393

传感器检测到

,

PI

,)

总线发送到单片机

,

这些数据与空间位置

(

一一对应

,

α

β

。

经过处理后可以通过获得的磁感应数据计算出

α

和

β

系

,

每种情况采集了

8

组数据

。

实际旋转角度

β

用

ADC

角度成正比

,

信号的分辨率为

1

输出数字量的范围为

2

位

,

是

ML

分辨率为

1

输

X90393

传感器输出的数字量

,

6

位

,

出范围为

0~65535

。

424Z

型角度传感器可以测量某一个平面方向上的旋转角

度

,

输出正比于旋转角度的

A

该传感器用于确定

DC

数据

,

摇杆在空间中的实际旋转角度

,

从而将实际旋转角度与

MLX90393

空间角位移传感器所测量的数据进行分析和

建模

。

4

数据分析与处理

该传感器是一款空间角位移传感器

,

能测量操纵手柄

在空间中的位置

。

在实际测量过程中

,

摇杆任意一个空间

,)

与该位置一一对应

,

位置

(

故将

X

、

αY

和

Z

三个方向的

β

、、、

磁感应强度分量

x

空间角度

αz

作为自变量

,

y

β

作为因

、、

χ

四种情况下

,

致可以看出在

α

为

τυX

、

Y

、

Z

三个方向

φ

、

所以

β

的值与

X

、

Y

方向的值与

β

成线性关系

,

Z

方向的磁

场分量无关

,

与

Y

方向的磁场分量线性相关

。

即

=k×

β

+c

y

,)

确定该关系式后

,

对空间的任意一点

(

都可以通过该

α

β

图

8

是利用表

1

中的数据绘制的折线图

。

从图中大

的磁感应分布情况大致相同

,

所以旋转角度

β

与

α

无关

。

随着

ADC

的增加

,

X

和

Z

方向的磁感应分量值基本不变

,

变量

,

研究自变量和因变量之间的关系

。

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()

g

2020

年第

4

期

6 5

表

2

系数

模型

1

(

常量

)

β

未标准化系数

42655.189

-25.325

B

标准错误

524.8418

.220

显著性

.000

.000

表

3

模型摘要

b

模型

1

.993

R

a

.986

R

2

.986

R

ad

j

德宾沃森

.206

、、

图

8 xz

磁感应分量与实际旋转角度

β

的关系

y

归模型中常数项为

4

斜率为

-2

回归模

2655.189

,

5.325

,

表

2

给出了回归分析的系数

,

从表中可以看出线性回

型的表达式为

:

公式以及

y

的读数找到

β

的坐标

。

以下着重讨论

y

与

β

之间的关系

。

、、

χ

四种情况下各采

由于以上分析仅是在

α

为

τυ

φ

、

定系数

,

该参数反应了模型的解释度或预测的准确性

,

考

2

虑到自变量个数的影响

,

校正后的决定系数

R0.986

。

ad

j

=

=-25.325×

β

+42655.189

y

2

表

3

中

R

为复相关系数

,

R=0.993

;

R=0.986

为决

集

8

组数据得出的初步结论

,

数据量不足

,

有很大的误差

。

对

α

进行更细致的划分

,

在

0~6

范围内随机取

20°4

个

α

值

,

按同样的方法对每一种情况取

8

组值

,

共得到

192

组

数据

,

这些数据基本上覆盖了

α

在

0~6

空间范围内的所

0°

组数据中提取出来

y

方向磁感应分量与角度

β

关系的散

点图

。

所以该模型的准确度达到了

9

故可以使用此回归

8.6%

,

的读数范围为

-3

根据回归模型得出

β

读数范

2768~0

,

模型来预测任意点

y

与

β

的关系

。

在整个测量过程中

y

围为

2978.211~1684.312

。

有点

,

样本充足

,

具有代表性

。

图

9

是从

24

种情况

、

192

应强度的数字量

,

要想测量空间旋转角度

,

还应对所测量

的磁感应强度数据进行相应的处理

。

在前面的论述中实

际旋转角度

β

的大小用角度传感器输出的

A

现

DC

度量

,

。

根据

4

将数字量

ADC

转换为实际角度的旋转角度

β

24Z

分辨率为

1

输出电压为

0

输出角度范围

V

,

2

位

,

.5~4.5V

,

,_

B

为

9

所以每一位所代表的角度

A0°nleit

为

:

g

由于以上的测量结果直接输出

X

、

Y

、

Z

三个方向测感

型角度传感器的特性

,

该传感器输出数字量

,

参考电压为

5

590

_

B

/

Anleit=×=0.0274658°bit

g

40964.5-0.5

将

A1686.867

,

DC

读数转换为实际测量角度

:

在实际测量过程中

,

ADC

的读数范围为

2990.329~

_

a

_

B

)

ctual=Anleit×

(

ADC-2978.211

g

β

_

实际测量角度范围

β

scoe

为

:

p

图

9 24

组数据中

β

与

y

的关系

__

B

)

scoe=Anleit×

(

2990.329-1686.867=35.538°

pg

β

由前面分析可知

,

传感芯片测量值随角度的变化是线

性的

,

当角度在

0~3

范围内变化时

,

输出的

y

值在

5.538°

所以将传感芯片测量数据

-32768~0

范围内线性变化

,

_,

转换为角度

β

其值为

:

convert

于不同的

α

取值

,

y

与

β

的关系图线具有相当高的重合度

,

可以支持之前所做的结论

,

旋转角度

β

只与磁感应分量

y

线性相关

,

与

α

以及

x

和

z

都无关

。

满足

:

=k×

β

+c

y

对图

9

所示的散点图做线性回归分析

,

结果如表

2

和

从图

9

中可以看出

,

且对

y

与

β

具有很强的线性关系

,

表

3

所列

。

观测数据与角度实际数据

;

图

1

为线性拟合报告

;

0

(

b

)

())

图

1

为观测数据与实际数据折线图

;

图

1

为观测

0c0

(

d

()

在图

1

图

1

为带入线性模型后所得到的角度

0

中

,

0a

35.538

_

convert=×

y

+35.538

β

32768

6 6

Microcontrollers&EmbeddedSstems

2020

年第

4

期

y

www

.

mesnet

.

com

.

cn

数据的线性拟合模型

。

。

角度

α

与

X

、

数来确定其对应的角度

β

Y

、

Z

方向感应分

量的关系以及分析方法完全类似

,

不再赘述

。

因此

,

可以

通过空间中任意一点的

X

、

Y

、

Z

方向磁感应分量计算出该

,

点的空间角度

α

和

β

从而唯一确定物体在空间中位置

。

结

语

本研究基于

MLX90393

芯片设计了一款空间角位移

传感器

,

涉及了原理分析

、

硬件电路设计

、

软件设计

、

数据获

取和数据处理等方面内容

。

通过对原始数据进行采样

、

验

,

证

、

处理和转换

,

最终输出空间角位移数据

α

和

β

用于确定

物体的空间位置

。

该传感器是一种非接触式的角位移传感

器

,

有效避免了摩擦和磨损

,

具有很长的工作寿命

,

测量精

度高

,

角度测量误差在

0

左右

;

同时该传感器体积小

,

适

.1°

应性强

,

可以方便灵活地应用于多种测量场合

。

图

10

观测角度与实际角度线性拟合及拟合报告

参考文献

[]

陈安健

.

]

光纤角位移传感器的设计与应用

[

传感器技术

,

1J.

从线性拟合报告中可以看出

,

传感器转换的角度值与

实际角度值之间的关系为

:

_

c

_

a

,

差允许的范围内近似可以认为

β

误差

onvert=

β

ctual

,

约为

0.

即可以用传感器转换的角度数据来代替实际的

1°

角度

,

从而实现空间角度

β

的测量

。

实际转角

β

与

X

、

最终

Y

、

Z

三个方向磁感应分量的关系

,

获得转角

β

与转角

Y

方向磁感应分量的线性回归模型

,

从

而在空间中的任意一点可以通过

Y

方向磁感应分量的读

声音清晰

。

同时

,

微处理器自动识别婴儿房

62

果好

,

以上是在空间中通过控制角度

α

采集多组数据

,

分析

__

aconvert=0.97378×

β

ctual+0.15104

β

其线性拟合优度为

0.

拟合效果非常好

。

在误

99956

,

[]

习喜龙

,

]

刘勇

,

周岗

.

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冯浩

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丁立军

,

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axisManetometerDatasheet2015.

g

()

责任编辑

:

薛士然

收稿日期

:

2019-12-02

间内的声音并显示在液晶屏上

,

识别效果良好

。

在识别三

个声音的混音时

,

识别率有所下降

,

可减小相邻频点间隔

,

即增加有效频点个数

;

若需识别频谱范围高于

10kHz

但

,

InternationalConference2014.

[],,

7ConinHU

,

reshold

gyg

Z

pg

L

//

linearalldiital

p

haselockedlooC

]

GreenComutin

gp

[

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郭裕丰

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本科

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主要研究方向为射频通信

、

信号处理

;

王文虎

(

教

,,

授

)

从事智能检测技术及自动化系统的研究

;

李建奇

(

教授

)

从事

智能检测技术及自动化系统的研究

。

()

责任编辑

:

薛士然

收稿日期

:

2019-12-02

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5SchleckerB

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edhih

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2020

年第

4

期

6 7