Infineon公司的TLE4943是一款集成式有源磁場(chǎng)傳感器，適用于基于霍爾技術(shù)的車輪速度應(yīng)用。
它的基本功能是測(cè)量磁極輪或鐵磁齒輪的速度。
它具有使用AK協(xié)議進(jìn)行通信的兩線電流接口。
該協(xié)議除了提供速度信號(hào)外，還提供其他信息，如車輪旋轉(zhuǎn)方向和氣隙信息。
該傳感器將快速上電時(shí)間和低截止頻率結(jié)合在一起。
出色的靈敏度和準(zhǔn)確性，加上寬廣的工作溫度范圍，使該傳感器非常適合苛刻的汽車要求。
TLE4943C還提供了一個(gè)過(guò)模制的1.8nF電容器，以改善EMC性能。
TLE4943的基本操作是測(cè)量鐵磁或永磁目標(biāo)輪的差分磁場(chǎng)，并生成代表這些物體運(yùn)動(dòng)的輸出信號(hào)。
另外，檢測(cè)旋轉(zhuǎn)的目標(biāo)輪的旋轉(zhuǎn)方向和磁信號(hào)的質(zhì)量（強(qiáng)度）。
對(duì)于帶有鐵磁齒輪的應(yīng)用，需要一個(gè)反向偏置磁鐵。
磁測(cè)量基于集成在IC上的三個(gè)等距霍爾元件。
兩個(gè)外部霍爾元件之間的距離為2.5mm，第三個(gè)霍爾元件放置在外部霍爾元件之間的中間。
外霍爾元件產(chǎn)生一個(gè)差分信號(hào)，該信號(hào)對(duì)應(yīng)于被檢測(cè)物體的速度。
所有三個(gè)霍爾元件均用于方向檢測(cè)信息。
該IC具有三級(jí)電流接口，該接口對(duì)應(yīng)于本數(shù)據(jù)手冊(cè)下文所述的AK協(xié)議。
高達(dá)+/- 30mT的磁偏移通過(guò)自校準(zhǔn)算法消除。
在啟動(dòng)（未校準(zhǔn)模式）后僅需幾個(gè)磁性邊沿即可完成自校準(zhǔn)并在校準(zhǔn)模式下提供經(jīng)過(guò)偏移校正的信號(hào)。
與模式無(wú)關(guān)，編碼器的每個(gè)增量都會(huì)觸發(fā)信號(hào)輸出。
輸出信號(hào)頻率代表增量頻率，例如每秒100增量等于100Hz。
磁信號(hào)的頻率是輸出信號(hào)頻率的一半。 目前受國(guó)際大環(huán)境影響，TLE4943缺貨比較嚴(yán)重，國(guó)內(nèi)廠家推出了相應(yīng)的替代產(chǎn)品，下面我們來(lái)了解一下知名半導(dǎo)體廠商意瑞半導(dǎo)體的產(chǎn)品及相關(guān)輸出協(xié)議：
1. 簡(jiǎn)介
意瑞半導(dǎo)體的輪速傳感器芯片提供了幾種不同的輸出協(xié)議，每種輸出協(xié)議對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)都有一些區(qū)別，對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景以及程序需求。根據(jù)特定情況選取一個(gè)合適的輪速傳感器輸出協(xié)議非常重要。
本文會(huì)介紹不同輸出協(xié)議的區(qū)別及優(yōu)劣勢(shì)，如表1，總結(jié)了最常用的幾種輪速傳感器的輸出協(xié)議。（*產(chǎn)品型號(hào)尾綴“C”的版本代表內(nèi)置電容。）
表1 輪速傳感器芯片輸出協(xié)議總結(jié)
*產(chǎn)品型號(hào)尾綴“C”的版本代表內(nèi)置電容。
2. 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議
輪速傳感器在測(cè)量齒輪轉(zhuǎn)速時(shí)，被測(cè)量的運(yùn)動(dòng)部件會(huì)經(jīng)過(guò)傳感器的前端，引起磁力線密度的變化。
標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議是輪速傳感器中最簡(jiǎn)單的協(xié)議，CH503（C）內(nèi)置兩個(gè)霍爾盤(pán)，將霍爾盤(pán)間的差分信號(hào)調(diào)整并且放大，當(dāng)輸入信號(hào)越過(guò)其最大值和最小值的算術(shù)平均值時(shí)發(fā)生切換（例如正弦信號(hào)的過(guò)零點(diǎn))，即輸出從ON變?yōu)镺FF，反之亦然。
一個(gè)有效的傳感器輸出只能處于OFF或ON兩種狀態(tài)，分別用低電流和高電流表示，最終輸出方波信號(hào)，如圖1所示。
圖1標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議輸出
對(duì)于只需要速度信息、不需要方向信息的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)的速度協(xié)議非常適合選用，在允許的氣隙范圍內(nèi)，方波信號(hào)的輸出都是很穩(wěn)定的，CH503（C）的占空比波動(dòng)小、延時(shí)較小，在高速的輪速下輸出參數(shù)依然穩(wěn)定有效。但是這種協(xié)議的缺點(diǎn)就是無(wú)法輸出其他信息，例如方向以及氣隙警告等。
3. PWM協(xié)議
PWM協(xié)議的電流與標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議類似，電路中的開(kāi)和關(guān)狀態(tài)由高和低電流來(lái)表示。磁輸入信號(hào)的每一次過(guò)零都會(huì)觸發(fā)一個(gè)輸出脈沖，通常每個(gè)輪齒旋轉(zhuǎn)的周期會(huì)產(chǎn)生固定脈沖數(shù)，速度信息就可以根據(jù)輸出脈沖率提供，輸出信號(hào)的連續(xù)上升沿之間的間隔時(shí)間就是脈沖率。除了速度信號(hào)以外，還會(huì)通過(guò)PWM調(diào)制的方式改變輸出脈沖的寬度，從而提供更多的信息。
關(guān)于方向的定義，如圖2所示，CH504（C）芯片帶絲印的面朝向目標(biāo)齒輪，齒輪從芯片GND引腳側(cè)往VDD側(cè)轉(zhuǎn)時(shí)，輸出脈沖傳遞的是DR-R的方向信息；而當(dāng)目標(biāo)齒輪從VDD側(cè)往GND側(cè)轉(zhuǎn)時(shí)，輸出脈沖傳遞的是DR-L的信息。兩個(gè)方向信息以不同的脈沖寬度體現(xiàn)，可以幫助控制單元了解此時(shí)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。同樣,如果氣隙超出臨界值的時(shí)候，脈沖寬度變化也會(huì)給出警告信息。具體的脈寬調(diào)制的寬度取決于傳感器芯片的編程。PWM協(xié)議的輸出波形如圖3所示。
圖2方向的定義
圖3PWM協(xié)議輸出
圖4 PWM協(xié)議不同脈寬傳遞的信息
相較于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，PWM協(xié)議不僅僅是提供速度信息，還有方向和氣隙警告等信息。車輪的正反轉(zhuǎn)判斷信息大大提高了輪速傳感器在智能方面的應(yīng)用。
4. AK協(xié)議
AK協(xié)議包含一個(gè)IHIGH?的速度脈沖和后續(xù)的九位數(shù)據(jù)信息位，速度脈沖是提供齒輪的速度信息，后續(xù)的數(shù)據(jù)信息位提供更多的其他信息，例如方向以及氣隙信息等。這些數(shù)據(jù)信息位是曼徹斯特編碼，一幀數(shù)據(jù)內(nèi)，數(shù)據(jù)段的波形，若檢測(cè)到電流上升沿則表示數(shù)據(jù)1，電流下降沿表示數(shù)據(jù)0。
編碼1和0由IMID和ILOW組成，可以看出AK協(xié)議的速度信號(hào)由三種電流構(gòu)成。數(shù)據(jù)信息位的0和1代表了各自不同的信息，每一位數(shù)據(jù)信息位也有各自的信息，例如方向或者是氣隙警告。CH505（C）的輸出波形由圖3所示，AK協(xié)議數(shù)據(jù)信息如表2所示。
圖5 AK協(xié)議輸出波形
表2 CH505（C）的數(shù)據(jù)信息位含義
可以看出數(shù)據(jù)中包含了氣隙有效性、方向有效性與正反轉(zhuǎn)信息，這些單個(gè)數(shù)據(jù)可以在電控單元上被解碼，從而獲得具體狀態(tài)的信息。即便是靜止的狀態(tài)下(Standstill mode)，速度脈沖消失，但是后面的數(shù)據(jù)位依然能輸出，對(duì)于需要智能輪速傳感器的應(yīng)用十分重要。然而AK協(xié)議中由于傳輸消息的時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，高速狀態(tài)下改為只輸出其中幾位數(shù)據(jù)位，所以目標(biāo)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的最大速度可能會(huì)受到一定的限制。
5. 結(jié)論
本文就常見(jiàn)的幾種輪速傳感器的協(xié)議做了一些介紹，分析了它們的特點(diǎn)以及優(yōu)劣勢(shì)。不難看出，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，選擇一個(gè)更合適的輸出形式非常重要，協(xié)議的選擇是高度依賴于應(yīng)用程序的需求的。可以根據(jù)需求從CH50X系列中挑選標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、PWM協(xié)議、及AK協(xié)議三種輸出形式的輪速傳感器。
審核編輯：劉清