基于霍尔电路设计的可逆计量传感器

摘要：以识别转向和获取可逆计数信息为主要目的，对比研究了几种基于霍尔电路设计的不同取样方式，分析了它们的输出脉冲时序特征，提出一种简单的设计方案。新的取样方式采用开关型霍尔芯片和锁存型霍尔芯片组合，配合双极旋转磁体取样系统，实现了转向识别和可逆计数信号的采集。传感器电路仅由两片霍尔电路构成，无外围电路，保留了霍尔传感器的全部优点。给出了电路设计，并详细说明了工作原理和实现方法。
关键词：霍尔电路；霍尔传感器；可逆计量；脉冲时序

0 引言
    无接触可逆计量信息的传感方式大致分为光电式和磁敏式，两者都配有复杂的电路转换系统或借用应用系统硬件配合软件实现转向识别和可逆计量。带有光电码盘或光栅的光电式可逆传感器具有计量精度高的优点，但因环境苛刻而限制其应用。磁敏式一般采用霍尔效应传感器和磁敏电阻作为敏感元件，具有环境耐受性好的优点，但这些设计都不能直接输出可逆计量信号，需要信号处理电路支持。因此，设计一种结构简单，仅由霍尔元件构成，能直接输出可逆计量信号的新型传感器，具有实际应用价值。

1 几种可逆计量电路设计的技术分析
    基于霍尔电路设计的可逆计量传感器的电路形式很多，对比研究其取样方式和工作原理，大致分为三类，即脉冲相位差异型双霍尔取样电路、脉冲占空比差异型锁存霍尔取样电路、集成化单片双霍尔开关位置传感器。对它们的取样方式、输出时序和电路特点分析如下。
1．1 脉冲相位差异型双霍尔取样电路
    这类电路一般由两个开关型霍尔电路构成，霍尔芯片沿磁体旋转方向排列，采用一个或多个同极性磁体触发，取样原理和输出时序如图1所示。H1，H2分别是A3144开关型霍尔芯片，由于H1，H2有一定间隔，同一个磁体顺时针旋转(正转)和逆时针旋转(反转)时，对H1、H2的触发具有先后顺序性，信号输出的初相位不同。正转时，OUT1先于OUT2输出；而反转时，OUT1落后于OUT2输出。因此，转向不同，取样电路输出信号存在相位差异特征。

    这类电路的应用系统一般采用微处理器或可编程逻辑器件分析处理这两路信号，根据输出信号的相位差异特征，采用软件系统或逻辑运算判断方向，实现可逆计量。这类取样电路的缺点是不能直接输出可逆计量信号，需要另外设计转换电路实现转向识别和可逆计量。优点是采用多个同性磁极触发时，可简单实现多倍频取样。
1．2 脉冲占空比差异型霍尔取样电路
    这类取样电路由一片锁存型霍尔芯片构成，采用异极性双磁极交替触发，取样原理和输出时序如图2所示。H1为A3290锁存型霍尔芯片，假设磁体的N，S极安装顺序按逆时针方向排列，且它们在同一象限内，S极锁存霍儿效应，那么N极将解除锁存。当N，S极正转时，S极接近H1，将触发输出低电平，N极接近H1，将触发输出高电平。低电平持续时间为T1，高电平持续时间为T2。显然正转时，S，N间隔小于π，T1<T2，即T1／T2<1；反转时，S，N间隔大于π，T1>T2，即T1／T2>1。分析表明，转向不同，取样电路输出信号的占空比存在差异。

    这种取样方式相对简单，但需另外设计信号处理电路，根据输出信号的占空比差异特征实现转向识别和可逆计量，匀速旋转时软件判别容易。缺点是这种磁体安装方式的倍频倍数低；变速旋转时需要软件进一步支持，以避免出现误判，因此建议S，N应尽量靠近。
1．3 集成化单片双霍尔开关位置传感器
    霍尼韦尔(Honeywell)公司曾发表了SS526DT双霍尔开关位置传感器，能够实现转向判别和速度输出，主要用于方向检测与控制，其电路原理框图如图3所示。传感器内含两个相距1．4 mm的霍尔芯片，封装在热模材料内。为实现转向判别，片内设计了逻辑运算单元，提供沿封装面方向的磁场梯度变化的速度与方向输出。

    这种电路的优点是能够直接输出可逆计量信号，缺点是需要配用特殊设计的梯度磁场取样系统，关于它的应用报导尚不多见。但是如果霍尔元件处在大范围的梯度磁场中，片内霍尔电压将持续存在，其抗干扰能力将下降，这也是这类传感器采用锁存型霍尔芯片的原因之一。因此建议应用非锁存开关型霍尔芯片时，要避免采用大范围的梯度磁场触发。

2 基于霍尔电路的可逆计量传感器
    对比以上几种电路的特点，提出一种新的设计方案，基于霍尔电路设计的可逆计量传感器，不用信号处理电路支持，能够实现自动判向，直接输出可逆计量信号，电路简洁、原理简单、实现容易。
2．1 传感器构成与电路原理
    传感器由两片霍尔芯片构成，H1为一开关型霍尔电路(例如A3144)，H2为一锁存型霍尔电路(例如A3290)。电路原理如图4所示，为描述问题方便，图4还给出了等效简图。两芯片紧靠、敏感面在同一平面内并朝向触发磁体。设H1用S极触发；H2用S极锁存，用N极解除锁存；Vcc为电源正端，Vss为电源负端；芯片独立输出，分别为OUT1，OUT2。其中OUT1输出计量脉冲，OUT2输出转向电平信号(高／低)。

2．2 取样旋转磁体设计
    旋转取样系统由两块磁体构成，如图5所示。其中一块磁体的S极朝向传感器敏感面，另一块磁体的N极朝向传感器敏感面。S，N在同一象限内安装，且按正转顺序排列，S，N间隔小于π／2。当磁体旋转时，S极将依此触发H1，H2，N极只对H2有效。

2．3 传感器工作原理
    根据取样系统和电路的设计特点，H1，H2和S，N都有排列次序，如图6所示。当旋转磁体正转时(设周期为T)，S极将依此触发H1，H2，由于H1是开关型霍尔芯片，输出不锁存，S极掠过H1后，OUT1也将由低电平变为高电平，每触发一次输出一个脉冲。然后S极触发H2，由于H2具有锁存特性，OUT2低电平被保持，但是因N，S极间隔小于π／2，N极将以相对较短的时间间隔触发H2，解除H2的锁存，OUT2变为高电平，OUT2输出一个低电平持续时间小于T／4的短暂脉冲，而高电平持续时间将大于3T／4。分析输出时序可见，OUT1输出低电平脉冲的时间正好在OUT2维持输出高电平时段。其结果等效于OUT1输出转数脉冲，OUT2输出表示正转的高电平。同理，当旋转磁体反转时，S极先触发H2，在OUT2维持低电平输出期间，再触发H2，OUT1输出一个转数脉冲，OUT2输出表示反转的低电平。以上分析说明，该电路能够识别转向，直接输出可逆计量信号。

3 结语
    应当指出，虽然OUT2输出也存在脉动，但在OUT1输出计量脉冲有效低电平时间内，OUT2输出高／低电平保持不变，并不影响可逆计量结果。这个设计方案，完全基于霍尔电路构成，不用外围电路支持，实现了转向识别，并能直接输出可逆计量信号。具有电路简单、可靠实用的优点，可与通用计量装置直接接口实现可逆计量。