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(zhuǎn)化為電壓信號輸出，并可與磁鋼配合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要求的不斷提高，這一測量結(jié)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用在很多汽車零部件中，如電子油門踏板的行程測量和節(jié)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,還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(yù)先設(shè)計一些存儲單元，以用來保存標定數(shù)據(jù)。本課題針對英飛凌TLE4997霍爾傳感器,并使用英飛凌XC2000型單片機，設(shè)計了一種集標定和存儲數(shù)據(jù)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(jù)要求計算標定數(shù)據(jù),最后將數(shù)據(jù)永久保存到傳感器內(nèi)的E²PROM內(nèi)。

1  項目主要任務(wù)

本課題以英飛凌單片機作為開發(fā)平臺來完成霍爾元件編程器的設(shè)計。該編程器能對霍爾元件進行標定。其主要工作有三個方面：一是用英飛凌16位單片機作為主芯片實現(xiàn)霍爾元件編程器的硬件電路，并開發(fā)相應(yīng)的軟件系統(tǒng);二是計算霍爾元件偏移量和增益;第三，由于磁場強度會因為溫度變化而變化，本文對此進行了溫度補償;并給出了存儲油門踏板位置和輸出電壓等多組數(shù)據(jù)的方法。

2  英飛凌霍爾傳感器TLE4997

TLE4997的應(yīng)用非常廣泛。它在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用包括踏板與節(jié)氣門定位、懸架控制、扭矩傳感與變速桿位置檢測等。在工業(yè)領(lǐng)域,這兩款傳感器是機器人和自動化應(yīng)用、醫(yī)療器械以及高電流傳感應(yīng)用的理想選擇。

采用模擬輸出的TLE4997的額定輸出噪聲較低，而且整個溫度范圍內(nèi)（一40°C-150°C）的偏置漂移穩(wěn)定性高。TLE4997在整個工作溫度范圍內(nèi)具有較低的比率轉(zhuǎn)換誤差。TLE4997具備矽PROM可編程參數(shù)，包括偏置、帶寬、極性、輸出位、磁體溫度漂移補償系數(shù)和內(nèi)存鎖,這使它可適用于廣泛的線性與角度位置傳感應(yīng)用。該傳感器具有三個可選測量范圍，包括士50、士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VDD、OUT和GND三個引腳。其中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。在編程模式的狀態(tài)下,VDD為時鐘信號接口，而OUT則可作為數(shù)據(jù)的I/O口。此時，將允許多個連接的設(shè)備作為一個輸入,每個設(shè)備既可以獨立，也可以并行地存取數(shù)據(jù)。這對于E²PROM的編程尤為重要。圖1所示是TLE4997的外形圖。

2.1  TLE4997的主要功能

TLE4997具有20位數(shù)字信號處理功能以及具有溫度補償功能;工作溫度范圍達一40°C-150°C；同時具有可編程E²PROM,并能完成位錯誤校正。TLE4997可重復(fù)編程，直至存儲器被鎖住，并帶有輸出短路電流保護功能，同時可對所有引腳進行過壓及防反接保護。

2.2  TLE4997的編程方法

TLE4997內(nèi)部有一組由寄存器和E²PROM組成的存儲器，其中包含了傳感器工作的所有信息。這些存儲器可以通過連續(xù)地址的方式組織起來,每個存儲單元的大小為16位。表1所列是TLE4997中的E²PROM存儲器。

       在編程時，編程器可以通過規(guī)定的讀寫命令對這些存儲器的內(nèi)容進行讀出或修改。TLE4997使用一種特殊的同步通訊方式與編程器交換數(shù)據(jù)，這是一種半雙工的通訊方式。通訊以幀為單位，長度固定為21bit,它的任何一個有效幀的長度均為21bit,通常在時鐘信號的上升沿發(fā)送新的位，最先發(fā)送數(shù)據(jù)的最低位。而且每一幀都包含一個奇校驗位和偶校驗位。

本設(shè)計在硬件上采用了端口復(fù)用的方式,在編程時，傳感器的5V電源輸入引腳則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(lián)在電源和地之間的電容決定。其編程器通訊波特率與電容的關(guān)系如表2所列。圖2所示是編程器通訊波特率與電容的關(guān)系曲線。

在進行一次通訊之前，必須先向傳感器發(fā)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。圖3所示是TLE4997激活端口的幀形式。

圖3TLE4997激活端口的幀形式

通常可以使用一個讀取狀態(tài)寄存器的命令幀去激活傳感器的通訊端口。TLE4997的命令幀波形如圖4所示。在成功激活端口之后，編程器可以通過發(fā)送同步時鐘信號，來在Vout引腳上讀取到一個有效的反饋幀。

而當端口打開之后,發(fā)送數(shù)據(jù)時就不必再采用激活幀的波形,而使用正常的通訊波形就可以了。圖5所示是TLE4997的正常通訊波形圖。

通常情況下,用于與傳感器通訊的幀可以分為數(shù)據(jù)幀和命令幀兩種。其中命令幀只由編程器發(fā)出，可用于對制定地址的存儲單元進行確定的操作,其幀格式如圖6所示。

通常命令幀可以攜帶表3所列的幾種可能的命令。

數(shù)據(jù)幀主要用于攜帶數(shù)據(jù),其中包括從編程器發(fā)出，需要被寫入傳感器存儲單元的數(shù)據(jù)；也包括了由傳感器發(fā)出的、被讀出的數(shù)據(jù)。圖7所示是TLE4997的數(shù)據(jù)幀格式。

不管是數(shù)據(jù)幀還是命令幀,它們都由一個顯性電平開始，也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(nèi)容滿足以下條件：

bit0 XOR bit2 XOR bit4 XOR...XOR bit20=0

bit0 XOR bit3 XOR bit5 XOR...XOR bit19=0

3  編程器軟硬件設(shè)計

本設(shè)計中，下位機以英飛凌XC2267m單片機為處理核心，主要完成的任務(wù)是:采集傳感器正常工作輸出，讀取傳感器參數(shù)，接受上位機命令，并對傳感器進行編程(校驗數(shù)據(jù)存儲)，以及向上位機反饋數(shù)據(jù)等。

通過編程接口，可以實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的讀取和編程;采集傳感器輸出可通過單片機的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊來實現(xiàn);上下位機的數(shù)據(jù)交流，則是基于模式總線協(xié)議(Modbus)的總線通訊系統(tǒng)。所以，在軟件上，大致分可以為三個部分:第一是傳感器輸出電壓的AD采樣和處理;第二是傳感器編程接口的訪問、數(shù)據(jù)讀取和對校驗數(shù)據(jù)的存儲;第三是Modbus從節(jié)點接收發(fā)送程序。

本系統(tǒng)的編程工具采用英飛凌專用的圖形界面代碼生成軟件(Digital Application Engineer,DAVE)和Eclipse公司提供的tasking嵌入式系統(tǒng)環(huán)境。前者可以迅速高效地生成單片機底層驅(qū)動函數(shù)，后者則可提供從代碼編輯到編譯調(diào)試下載等的完整開發(fā)工具鏈,這都可大大提高項目的開發(fā)進度。

從結(jié)構(gòu)角度分析，編程器分為PC機、PC機軟件界面以及以單片機為核心的下位機和嵌入式軟件這兩大部分。TLE4997的編程器系統(tǒng)框圖如圖8所示。其中PC機界面通過VB語言編寫,主要功能包括傳感器輸出電壓的動態(tài)顯示，設(shè)置和計算傳感器標定參數(shù)以及控制下位機操作等。

下位機以英飛凌XC2267m單片機為處理核心，主要任務(wù)是采集傳感器正常工作輸出，讀取傳感器參數(shù),接受上位機命令，對傳感器進行編程，以及向上位機反饋數(shù)據(jù)等。

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(jié)點,下位機作為從節(jié)點。上位機通過寫入命令來修改下位機Modbus寄存器的值,實現(xiàn)對下位機的控制。同樣，也可通過對下位機寄存器的讀取來讀取希望的數(shù)據(jù)。

下位機根據(jù)其功能可以將硬件分為五個部分:即系統(tǒng)電源、單片機最小系統(tǒng)電路、傳感器信號釆樣電路、傳感器通訊電路、Modbus通訊電路等。圖9所示是編程器下位機的結(jié)構(gòu)簡圖。

4  結(jié)語

本設(shè)計完成了針對線性霍爾傳感器TLE4997編程器的軟硬件設(shè)計;設(shè)計分為由PC機及其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(shè)計主要針對下位機進行。基于英飛凌的XC2267m單片機用于實現(xiàn)編程器功能的硬件設(shè)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，本課題還設(shè)計了Modbus通訊功能和CAN總線通訊功能。在當今汽車行業(yè)電子產(chǎn)品的各種通訊方式中,CAN總線以其高可靠性、實時性、傳輸距離遠等特點已得到廣泛的應(yīng)用,并已經(jīng)成為許多高檔汽車車電系統(tǒng)的總線標準。所以，本設(shè)計在傳感器編程器的硬件設(shè)計中，預(yù)留了CAN總線接口,以便將來的應(yīng)用可以進一步實現(xiàn)多編程器的協(xié)同工作，這對于油門踏板的大規(guī)模自動化生產(chǎn)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以及編程器自身的參數(shù)標定等功能,以便使編程器的功能更加靈活和強大。