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2024年4月30日发(作者：eplan导入xml文件)
基于ＡＳ５０４５的自动舵智能轴角传感器的设计赵济民高桦蔡延财林纪舟
基于ＡＳ５０４５的自动舵智能轴角传感器的设计
赵济民 高桦 蔡延财 林纪舟
（１海军青岛航保厂２６６０７１ ２青岛远洋运输有限公司 ２６６０７１）
摘要： 文章介绍了智能轴角传感器的原理和实现方法，给出了磁旋转编码器的应用原
理与设计方法，同时详细介绍了ＡＳ５０４５的编程方法和关键应用技术，提出了一种新的轴角采
集与测量的实现途径。
关键词： ＡＳ５０４５智能传感器磁旋转编码器ＭＳＰ４３０超低功耗测量轴角 原理
ｌ 引言
片上系统，在单个封装内整合了集成式霍尔元件、模
轴角度测量是各种导航系统、数控机床、大型雷
拟前端和数据信号处理功能。要测量角度时，只需
达设施以及一些控锘ｌＪ系统感知自身状态的重要方法 简单地在芯片中心的上方放置１个旋转双极磁铁即
之一，因此轴角测量系统的研究就成为极为重要的 可。磁铁可以布置在本ＩＣ的上方或下方。这种绝
课题。目前，在各种伺服控制系统中，作为轴角度位
对角度测量方式可即时指示磁铁的角度位置，其分
置传感器的元件主要有自整角机、增量式编码器和
辨率达到Ｏ．０８７９度＝每圈４ ０９６个位置。能够以
绝对式编码器等。自整角机＿１ 是一种感应式自同
串行比特流以及ＰＷＭ信号输出的形式给出数字化
步微电机。自整角机与增量式编码器相比，其优点
数据。
在于其具有绝对位置检测的能力，并且能在较恶劣
整个３６０。范围内的无接触式、高分辨率、旋转
的环境条件下工作。绝对式编码器虽然也能提供绝
位置编码，大大提高了它的可靠性和使用寿命。主
对的位置信号，但其信号的精度受码道数目的限制；
要特点：
而且绝对式编码器对于工作环境有较高的要求。目
１）２种数字式１２位绝对值输出；
前自整角机已经能够满足很高的准确度要求，并能
２）串行接口输出以及脉宽调制（ＰＷＭ）输出；
在很宽的温度、湿度、振动和冲击环境条件下正常工
３）用户可编程零位；
作，因而这种机电式传感器在方位角测量系统中得
４）用于磁铁位置监测和断电监测的故障检测
到广泛的使用。但自整角机本身测量的位置角信号
模式；
是三相模拟电压信号，无法直接与现代数字控制器
５）“红一黄一绿”指示器，显示磁铁在ｚ轴方向
连接，而且自整角机体积大、噪声大，对其他系统产
上的位置；
生的强烈电磁干扰也不能忽视，在一些对电磁兼容
６）可采用菊链连接模式串行读取多个互联的
要求较高的场合应用受到制约。本文介绍一种智能
ＡＳ５０４５器件的数据；
轴角传感器的设计。
２智能轴角传感器设计原理
７）能够耐受磁铁的位置偏离和气隙变化；
磁旋转编码器是基于霍尔原理非接触式测量轴
８）较宽的温度范围：一４Ｏ。Ｃ至＋１２５。Ｃ；
角的原理而设计的。当旋转的磁铁在装有霍尔器件
９）小型无铅封装：ＳＳＯＰ１６（５．３ｍｍ×６．２ｍｍ）。
的芯片垂直方向上旋转时，产生磁场的变化，通过检
由于ＡＳ５０４５是一个完整的片上系统，所以具
测磁场的变化可以间接地测量出磁铁旋转的角度。
有非常明显的优点：
就是这样一种无接触式磁旋转编码器产品，用于精
ａ．灵活的系统解决方案，同时提供绝对值串行
确测量整个３６０。范围内的角度。ＡＳ５０４５【２ 是一个
输出和ＰＷＭ输出；
ｂ．由于采用无接触式位置检测原理，十分适合
收稿日期：２００９—１１—０３
于苛刻环境下的应用；
作者简介：赵济民，（１９６２一），男，山东潍坊人，高级工程师，
Ｃ．无需校准，避免了由于校准所带来的许多麻
从事航海导航工作。
烦。
天津航海２０１０年第１期
ＭＳＰ４３０Ｆ２２７４是ｌ６位的超低功耗单片机－３ Ｊ，
围以外的磁场仍然能够得到可用的结果，但超出范
围的状况将由ＭａｇＩＮＣｎ（引脚１）和ＭａｇＤＥＣｎ（引脚
具有非常丰富的片上外设如ＡＤＣ、ＳＣＩ、ＳＰｉ、Ｉ２Ｃ、
ＴＩＭＥＲ等，由于其工作电流非常小（工作电流通常
２）指示出来。
在微安级），非常适用于掌上智能终端或智能传感
４硬件电路设计
ＡＳ５０４５采用数字流的方式传输数据，所以与单
器等场合。本文介绍的智能轴角传感器就是采用
ＭＳＰ４３０Ｆ２２７４作为主处理器。
３磁旋转编码器测量轴角的原理
ＡＳ５０４５采用ＣＭＯＳ标准工艺制造，并采用了一
片机ＭＳＰ４３０Ｆ２２７４的电路连接非常简单方便，只要
随便与ＭＳＰ４３０Ｆ２２７４的任意Ｉ／Ｏ口相连即可。由
于ＭＳＰ４３０Ｆ２２７４的供电电压为１．８Ｖ～３．６Ｖ，所以
种旋转电流Ｈａｌｌ技术来检测芯片表面上分布的磁
场。内置的Ｈａｌｌ元件围绕芯片的中心分布，并输出
一
个能够代表Ｉｃ表面磁场的电压。通过模拟／数字
转换和数字信号处理（ＤＳＰ）算法，ＡＳ５０４５可提供精
确的高分辨率绝对角度位置信息。为实现这一功
能，采用了坐标旋转数字计算机（ＣＯＲＤＩＣ）来计算
Ｈａｌｌ阵列信号的角度和幅值。ＤＳＰ也用于提供
ＭａｇＩＮＣｎ和ＭａｇＤＥＣｎ输出的数字信息，以指示所使
用的磁铁朝向或远离器件表面的运动情况。采用一
块小型低成本径向磁化（双极）标准磁铁，即可提供
角度位置信息。
ＡＳ５ｏ４５能够检测磁场的方向并计算出１２位的
二进制编码。此编码可以通过同步串行接口（ＳＳＩ）
进行访问。此外，还可通过引脚１２（ＰＷＭ）的脉宽
调制信号来指示绝对角度值。
圈１磁铁安装位置对准区域
这个ＰＷＭ信号输出也可以通过使用１个外部
低通滤波器来生成１个成正比的模拟电压。由于采
用了差分测量技术以及Ｈａｌｌ传感器调理电路，
ＡＳ５０４５能够耐受磁铁位置偏离情况以及杂散磁场。
磁铁的中心轴线应当对准在以Ｉｃ的规定中心为圆
心的０．２５ｒａｍ偏离半径Ｒｄ之内。磁铁可以布置在
芯片的上方或下方。其间距应当选择为能够让晶片
表面的磁场处于规定的限制范围内（参见图１）。
在采用推荐的磁铁材料和尺寸（６ｍｍ×３ｒａｉｎ）时，
磁铁与封装表面之间的典型间距“ｚ”为０．５ｍｍ至
１．５ｍｍ。只要所要求的磁场强度能够保持在规定的
范围以内，也可以采用更大的间距。但是，规定范
整个系统采用３．３Ｖ供电更方便些。为了使得智能
传感器可以与外部计算机进行通讯，同时还需要设
计常用的ＲＳ一４８５接口。Ａｓ５０４５与ＭＳＰ４３０Ｆ２２７４
的硬件电路如图２所示，传感器对外通讯接口
ＲＳ４８５接口电路如图３所示。
Ｃ７
２０Ｐ
ＭＡＸ３４８５ｌ嚣Ａ
图３传感眷ＲＳ４８５接口电路
５软件设计
整个智能传感器软件编程是基于
ＭＳＰ４３０Ｆ２２７４和ＡＳ５０４５展开的，软件实现实时对
ＡＳ５０４５的数据采集和自动校准等操作。由于
ＡＳ５０４５的最大转换速率是一定的，可以使用
ＭＳＰ４３０Ｆ２２７４的定时器功能，定时对ＡＳ５０４５进行
操作。磁旋转编码器ＡＳ５０４５的最大转换速率为
１ＭＨｚ，每毫秒对ＡＳ５０４５进行一次数据交换，读出当
前的旋转角度。最后通过ＲＳ２３２串口【４】，按照一定
的数据格式向外传输。软件系统流程图（如图４）所
示。
ＡＳ５０４５上电后，Ｐｒｏｇ＝逻辑高电平时ＣＳｎ的
上升沿将启用ＡＳ５０４５的编程操作。ｌ６位的配置数
据必须通过Ｐｒｏｇ引脚串行移位至ＯＴＰ寄存器。第
基于ＡＳ５０４５的自动舵智能轴角传感器的设计赵济民高桦蔡延财林纪舟
１个“ＣＣＷ”位后跟零位数据（ＭＳＢ在先）和Ｍｏｄｅ
设置位。在ＣＬＫ的上升沿时，数据必须有效。将数
据写入到ＯＴＰ寄存器后，可以通过将Ｐｒｏｇ引脚电压
提高到编程电压ＶＰＲＯＧ来进行永久性编程。对熔
丝进行编程时，必须提供ｌ６个ＣＬＫ脉冲（ｔＰＲＯＧ）。
若要退出编程模式，必须通过上电复位对芯片进行
复位。编程设置的数据在下一次上电后开始使用。
电容进行缓冲，并需靠近开关晶体管安装。此电容
有助于在编程过程中提供峰值电流。引脚Ｐｒｏｇ处
的规定编程电压为７．３—７．５Ｖ。为了补偿ＶＰＲＯＧ
开关晶体管两端的电压，所施加的编程电压可以略
微高一些（７．５—８．ｏｖ）。零位编程是一种能够简
化系统装配的ＯＴＰ选项，磁铁无需手工调节至机械
零位。装配完成后，机械和电气零位可以通过软件
相匹配。整圈内的任何位置均可以规定为永久性的
新零位，要进行零位编程时，先将磁铁转动至机械零
位（例如：旋转开关的关闭位置），并读取实际的角
度数值。将此数值写入到ＯＴＰ寄存器的ｚＩｌ：ｚｏ
位。
零位数值也可以在编程前进行修改，例如，要将
与机械零位成１８０。（半圈）的角度位置编程为电气
零位时，只需在机械零位的读数上增加２０４８即可，
然后将此新数值编程至ＯＴＰ寄存器。
６小结
磁旋转编码器是一种无接触式测量轴角度的电
子产品，ＡＳ５０４５的使用解决了脉冲编码器精度不
高、自整角机变压器数字转换复杂等问题。由于采
用了霍尔原理，采用了非接触的方式进行测量，大大
地提高了测量的可靠性，降低了轴角测量的成本。
通过使用证明磁旋转编码器ＡＳ５０４５能够满足大部
圈４软件程序流程图
分轴角测量的场合。配合超低功耗单片机
注意，在编程操作过程中，编程电流的转变会由
ＭＳＰ４３０Ｆ２２７４，使得最终轴角传感器作为一种低功
于连接电缆存在电感而产生高压尖峰脉冲。为了避
耗智能化的传感器终端，可以非常方便地在测量轴
免这些尖峰脉冲以及－口Ｊ能造成的Ｉｃ损坏，连接电缆
角的数字系统中使用，应用到自动舵反馈舵角等角
必须尽量短，特别是信号Ｐｒｏｇ和ＶＳＳ。ＶＰＲＯＧ开
度采集的场合也非常合适。
关晶体管与引脚Ｐｒｏｇ之间的最大接线长度不应当
参考文献
［１］梁宏，周爱军．自整角机轴角信息采集记录仪的设计【Ｊ］．仪表
超过５０ｍｍ（２英寸）。为了抑制可能的电压尖峰脉
技术与传感器，２００５（７）：，９．
冲，应当在靠近引脚ＶＰＲＯＧ和ＶＳＳ的位置安装１
［２］ＡＳ５０４５ Ｄａｔａ ｓｈｅｅｔ．Ａｕｓｔｒｉａｍｉｃｒｔｍｙｓｔｅｍｓ ＡＧ．２０Ｏ６．
个１０ｎＦ陶瓷电容。只在编程操作过程中需要此电
［３］ 魏小龙．ＭＳＰ４３０系列单片机接１３技术及系统设计实例［Ｍ］．
容，正常运行时并不需要。时钟时序ｔｃｌｋ必须选择
北京：北京航空航天大学出版社，２ＯＯ２．
为适当的速率，以确保信号Ｐｒｏｇ在ＣＬＫ的上升沿
［４］ 李秉操等．单片机接口技术及其在工业控制中的应用［Ｍ］．陕
西：陕西电子编辑部，１９９１．
保持稳定。此外，编程电源电压应当采用１个ｌＯａＦ
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