Modbus協議下的線性霍爾傳感器編程器

摘要：英飛凌公司推出的TLE4997是一款全新的可編程線性霍爾傳感器。該款傳感器經過專門設計，適用于需要精確角度和位置檢測的汽車級產品的苛刻要求。本文首先簡要介紹了該傳感器的特性，然后論述了其編程方法。最后還給出了傳感器編程器軟硬件的設計方案。

關鍵詞：線性霍爾傳感器；Modbus；EEPROM；微控制器；DAC

項目背景

線性霍爾傳感器是一種重要的磁場測量元件，它可以將磁場強度信號轉化為電壓信號輸出。與磁鋼配合，可以進行精確的位置測量。隨著汽車電子控制器對位置測量精度的要求不斷提高，這一測量機構被廣泛地應用在很多汽車零部件中，如電子油門踏板的行程測量和節氣門開度測量。但是為了讓線性霍爾傳感器能夠配合磁鋼的磁場，正確地輸出期望的電壓信號，需要事先對線性霍爾傳感器進行標定，此外，很多此類傳感器中都會預先設計一些存儲單元，用來保存標定數據。本課題針對英飛凌TLE4997霍爾傳感器，使用英飛凌XC2000型單片機，設計了一種集標定和存儲數據為一體的編程工具。通過操作上位機界面，這種工具可以讀取傳感器采集的磁場強度信號和輸出電壓，并根據要求計算標定數據，最后可以將數據永久保存到傳感器內的EEPROM內。

英飛凌霍爾傳感器TLE4997介紹

TLE4997適用于非常廣泛的應用。在汽車領域的應用包括：踏板與節氣門定位、懸架控制、扭矩傳感與變速桿位置檢測等。在工業領域，這兩款傳感器是機器人和自動化應用、醫療器械以及高電流傳感應用等的理想選擇。

采用模擬輸出的TLE4997的額定輸出噪聲低，且整個溫度范圍內(－40℃至150℃)的偏置漂移穩定性高。TLE4997在整個工作溫度范圍內具備較低的比率轉換誤差。TLE4997具備EEPROM可編程參數，包括偏置、帶寬、極性、輸出位、磁體溫度漂移補償系數和內存鎖，這使它成為適用于廣泛的線性與角度位置傳感應用的多功能產品。該傳感器具備三個可選測量范圍，包括±50、±100或±200mT，同時具備高達16位分辨率(取決于輸出方案)的精確輸出。此外TLE4997還具備先進的溫度補償功能。

TLE4997共有三個引腳VDD，OUT和GND。VDD和OUT引腳既可作為供電電源輸入和信號輸出，也可分別作為編程模式時的兩個接口。編程模式的狀態下，VDD為時鐘信號的接口，而OUT作為數據的I／O口。此時，將允許多個連接的設備作為一個輸入，每個設備既可以獨立也可以并行地存取數據。這對于EEPROM的編程尤為重要。

TLE4997功能

1)具有20位數字信號處理功能

2)溫度補償功能

3)工作溫度范圍廣：－40℃到150℃

4)具有由可編程元件組成的EEPROM，并能完成位錯誤校正

5)可重復編程直至存儲器被鎖住

6)輸出短路電流保護

7)對所有引腳進行過壓及防反接保護

TLE4997編程方法介紹

TLE4997內部有一組由寄存器和EEPROM組成的存儲器，其中包含了傳感器工作的所有信息。這些存儲器通過連續地址的方式組織起來，而每個存儲單元的大小為16位。

在編程時，編程器通過規定的讀寫命令，可以將這些存儲器的內容讀出或對其進行修改。TLE4997使用一種特殊的同步通訊方式與編程器交換數據，這是一種半雙工的通訊方式。通訊以幀為單位，長度固定為21個bit。任何一個有效地幀都有如下特點：

1)每一幀長度為21位

2)在時鐘信號的上升沿發送新的位

3)最先發送數據的最低位

4)每一幀都包含一個奇校驗位和偶校驗位

硬件上，采用了端口復用的方式，在編程時，傳感器的5V電源輸入引腳作為同步通訊的時鐘信號，而其信號輸入引腳作為同步通訊的輸入輸出端口。同步時鐘時鐘信號由編程器提供，電平為8.5V／5V。通訊的波特率由并聯在電源和地之間的電容決定。通常有以下關系：

在進行一次通訊之前、必須先向傳感器發送一組有效的命令，以激活傳感器的通訊端口。這個用于激活端口的幀在波形上與其他幀略有不同。

通常我們使用一個讀取狀態寄存器的命令幀去激活傳感器的通訊端口。在成功激活端口之后，編程器可以通過發送同步時鐘信號，在Vout引腳上讀取到一個有效的反饋幀。

而當端口打開之后，發送數據時則不必再采用激活幀的波形，使用正常的通訊波形就可以了。

通常，用于與傳感器通訊的幀可以分為兩種，數據幀和命令幀。命令幀只由編程器發出，用于對制定地址的存儲單元進行確定的操作。

命令幀可以攜帶以下幾種可能的命令：而數據幀則用于攜帶數據，這包括了從編程器發出，需要被寫入傳感器存儲單元的數據；也包括了由傳感器發出的，被讀出的數據。

不管是數據幀還是命令幀，都由一個顯性電平開始，都包含了一個奇校驗位和一個偶校驗位。這兩個校驗位使幀包含的內容滿足以下條件：

編程器軟硬件設計

軟件設計構想

前文已經提到，下位機以英飛凌XC2267m單片機為處理核心，主要需要完成的任務有：

1)采集傳感器正常工作輸出

2)讀取傳感器參數

3)接受上位機命令，對傳感器進行編程(校驗數據存儲)

4)向上位機反饋數據

通過編程接口，可以實現傳感器數據的讀取和編程：采集傳感器輸出通過單片機的模擬數字轉換模塊實現：上下位機的數據交流，則是基于模式總線協議(MODBUS)的總線通訊

系統。所以軟件上，大致分為以下3個部分：

1)傳感器輸出電壓的AD采樣和處理

2)傳感器編程接口的訪問，數據讀取，校驗數據的存儲

3)MODBUS從節點接收發送程序

下文將對此三部分進行詳細介紹。

編程工具采用了英飛凌專用的圖形界面代碼生成軟件(DAVE，DigitalApplication Engineer)，和Eclipse公司提供的tasking嵌入式系統環境。前者可以迅速高效地生成單片機底層驅動函數，后者則提供了從代碼編輯到編譯、調試、下載完整的開發工具鏈，這都大大提高了項目的開發進度。

硬件設計構想

從結構角度分析，編程器分為PC機及PC機軟件界面，和以單片機為核心的下位機及嵌入式軟件這兩大部分。PC機界面通過VB語言編寫、主要功能包括：

1)傳感器輸出電壓的動態顯示

2)設置傳感器標定參數

3)計算傳感器標定參數

4)控制下位機操作

下位機以英飛凌XC2267m單片機為處理核心，主要負責以下任務：

1)采集傳感器正常工作輸出

2)讀取傳感器參數

3)接受上位機命令，對傳感器進行編程

4)向上位機反饋數據

上位機和下位機之間使用MODBUS總線進行通訊，上位機作為總線主節點，下位機作為從節點。上位機通過寫入命令，修改下位機MODBUS寄存器的值、實現對下位機的控制：同樣，通過對下位機寄存器的讀取，讀取希望的數據。

下位機根據其功能，可以將硬件分五個部分：

1)系統電源

2)單片機最小系統電路

3)傳感器信號采樣電路

4)傳感器通訊電路

5)MODBUS通訊電路

總結和展望

在本課題中，完成了針對線性霍爾傳感器的編程器的軟硬件設計；本課題分為由PC機及PC機軟件界面，和以單片機為核心的下位機及嵌入式軟件這兩大部分。本課題的硬件設計主要針對下位機完成。基于英飛凌XC2267m單片機完成實現編程器功能的硬件設計。軟件方面，本課題對英飛凌線性霍爾編程器TLE4997進行了標定，還進行了溫度補償。此外，本課題設計了MODBUS通訊功能和CAN總線通訊功能。當今汽車行業、在電子產品的各種通訊方式中，CAN總線以其高可靠性、實時性、傳輸距離遠的特點得到廣泛的應用，已經成為許多高檔汽車車電系統的總線標準。所以在傳感器編程器的硬件設計中，預留了CAN總線接口。以便在將來的應用中，可以進一步實現多編程器的協同工作，這對于油門踏板的大規模自動化生產，意義巨大。同時也可以通過CAN總線對傳感器編程器進行程序的升級下載、編程器自身參數的標定等功能，使編程器的功能更靈活，更強大。