基于磁敏技术的位移传感器的设计

摘  要： 介绍了MLX90316的内部结构和应用特性,设计了以LPC2136为CPU、MLX90316为位置反馈、具备1路光电隔离RS485通信输出的位移传感器，给出了位移计算策略和计算方法，详细分析了接口电路原理图和接口时序。

对物体位移进行非接触测量是目前位移测量技术的重要发展方向之一,这是由于非接触测量方法具有高速、不接触被测物体等优点。传统的接触式位移传感器采用电位器式位移传感器，它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。非接触式位移传感器种类繁多,如时栅位移传感器、线位移差分传感器、容栅位移传感器、电感式位移传感器等,这些传感器的精度高,但结构复杂、成本高,对被测物体运动速度还附加了限制,如必须运行平稳、无突变和相对低速等。

本文从工程应用的角度，设计了一种基于磁敏技术的位移传感器，该传感器在精度、抗震、耐用度等方面有了成功的改善。

1 磁敏传感器工作原理

在基于磁敏技术的位移传感器上,选择MLX90316作为磁敏角度的采集。

MLX90316是一种线性霍尔芯片，在霍尔效应传感器上增加集成磁场集中器(IMC)的单片集成传感芯片。能够在单点感应到磁通量的所有3个分量，因此，可以得到360°的旋转位置值，通过多种模式输出准确度很高的线性绝对位置信号，并且成本低廉，安装简便。而普通的水平（或者平面）霍尔传感器只能感应垂直于IC表面的磁通量。

MLX90316芯片前端是采用Triaxis霍尔技术的传感器。由霍尔传感器得到的二路正交的模拟信号经过放大处理后，经过14 bit微分型A/D转换器进入芯片微处理器(DSP)，再经过16 bit DSP处理之后的数字信号分3路输出。MLX90316输出具有12 bit角度分辨率，10 bit角度精度，并且在一定程度上可以避免外围温度变化对输出精度的影响。MLX90316具有3种输出：由12 bit D/A转换为模拟量输出；频率为100 Hz~1 000 Hz的PWM输出；数字模式下利用串行通信协议输出(SPI)。

在本设计中，选择SPI接口输出。

2 硬件接口电路设计

基于磁敏技术的位移传感器主要由3个部分组成，前端角度信号采集、数据处理单元、数据通讯单元，具体的功能框图如图1所示。

磁敏角度感应器选用MLX90316，它将位移所导致的磁铁磁场转动的角度转换为磁敏角度。

微处理器单元通过SPI接口与MXL90316进行数据通信，用于完成磁敏角度数据的接收，由于接收到的是磁场转换的角度，所以通过建立数学模型，结合轮毂直径等因素，将磁敏角度换算为拉线的位移。传感器的所有任务最终都挂在实时操作系统μC/OS-II上运行，因此不仅要考虑微控制器的内部资源，还要看其可移植性和可扩展性。LPC2136是Phlips公司生产的32 bit ARM7TDMI-S微处理器[7],嵌入256 KB高速FLASH存储器。采用3级流水线技术，取指、译码和执行同时进行，能够并行处理指令，提高CPU运行速度。由于具有非常小的尺寸和极低的功耗，抗干扰能力强，适用于各种工业控制。

数据通信单元设计了1路RS485通信接口，负责接收来自应用系统的命令、向应用系统返回采集的位移结果。

2.1 SPI接口电路设计

MLX90316具备1路SPI接口,用于角度信号的数据，由于串行通信的输出信号直接来自于内部DSP输出，SPI输出模式更稳定，误差更小，并且具有更高的抗干扰能力，在本设计中，选用SPI接口，具体的硬件接口连接电路如图2所示。在图2中，MLX90316的SPI 3根线与LPC2136的SPI0口连接。SPI(Serial Protocol Interface)总线接口是一种同步串行外设接口。这是一个4根信号线的串行接口协议，包括主、从两种模式。这4根信号线分别是：时钟线(SCK)、数据输入线(MISO)、数据输出线(MOSI)和从设备使能线(/SS)。

来源：维库开发网 [p]

SPI接口中，LPC2136作为主控端，MLX90316作为从属端。SPI通信模块主要让LPC2136读取MLX90316的磁敏角度，SPI的通信过程为：主控端先输出一个0xAA以及一个0xFF作为通信起始信号，接着输出8个0xFF，而从端会同时输出2个0xFF、4 B的角度信号以及4个0xFF，从而完成一次数据通信。具体的通信时序如图3所示。

2.2 RS485通信接口电路设计

RS485总线以其结构简单、通信速率高、传输距离远等诸多优点,在工业控制系统中得到了广泛应用。它采用平衡发送和差分接收方式实现通信，发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。由于传输线通常使用双绞线,又是差分传输，所以有极强的抗共模干扰的能力,总线收发器灵敏度很高。

在基于磁敏技术的位移传感器中设计了一路RS485信号输出，RS485接口芯片采用MAX3485,用于与应用系统进行位移数据交换。如图4所示，为了确保数据通信的可靠性，通信接口采用了光电隔离芯片6N137。

3 位移计算算法实现

MLX90316采集旋转的角度数据，ARM根据获取的角度数据，通过建立数学模型计算为直线位移数据。ARM通过RS485通信接口与应用系统的设备进行通信，将接收来自应用系统设备的命令，并将采集到的位移信号反馈给应用系统。

位移计算公式为：

其中，R为引起MLX90316角度变换的线性位移距离角度变换的中心半径,φ为直线位移所导致的MLX90316的旋转的角度，L为直线位移。

4 工程应用与结论

(1)磁铁选择

水平磁通量均匀的磁铁都可以使用,磁铁的大小和材料并不重要。在机械、磁场和热容限之内,水平磁通量必须在20-70 mT(例如,45  mT±25 mT)范围以内。

(2)气隙距离

在气隙问题上,如果距离IC表面的实际气隙大于7.5  mm，环形磁铁要优于盘形磁铁。磁铁可以放在轴的末端，使用环形磁铁时可以绕在轴上。也可以使用特殊的磁铁设计，获得旋转位置传感器正常的传输特性。

在"基于FPGA技术的堤坝位移智能检测系统"中，本传感器用于堤坝根石位移采集。利用RSS485总线将35个监测点组成星型网络，从试验结果可以看出，该传感器克服传统拉线式位移传感器的易磨损、分辨力差、阻值偏低、高频特性差等缺点，提高了测量精度。