基于霍爾傳感器的多通道電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝 彬，張柏霖

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222）

基于霍爾傳感器的多通道電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝 彬，張柏霖

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222）

在慣性儀表測(cè)試系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了基于霍爾傳感器的多通道電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器，在測(cè)試過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控被測(cè)陀螺儀的用電狀況。該監(jiān)控系統(tǒng)具有4個(gè)通道，可以同時(shí)精確監(jiān)控4個(gè)儀表的電壓值和電流值。由于監(jiān)控電路與被測(cè)儀表的供電回路完全隔離，測(cè)試過(guò)程中對(duì)被測(cè)儀表無(wú)影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高精度的電源狀態(tài)監(jiān)控。

慣性儀表測(cè)量；霍爾傳感器；C8051F020；電源監(jiān)控

在對(duì)慣性陀螺儀進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程中，經(jīng)常采用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)主機(jī)的功能是控制陀螺儀測(cè)試平臺(tái)的動(dòng)作，接收陀螺儀的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，進(jìn)行導(dǎo)航結(jié)果的解算。在測(cè)試過(guò)程中，除了需要考察儀表的導(dǎo)航輸出精度，還需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀表的用電功耗情況。如果被測(cè)儀表的電壓、電流值超過(guò)了預(yù)期范圍，就要立即斷電進(jìn)行故障檢驗(yàn)。針對(duì)上述需求，本文采用霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器，以C8051F020作為微控制器進(jìn)行采樣和運(yùn)算，設(shè)計(jì)了在慣性測(cè)量系統(tǒng)中應(yīng)用的4通道實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

慣性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中電源監(jiān)控模塊的作用是實(shí)時(shí)監(jiān)控處于工作狀態(tài)中的陀螺儀的電壓、電流值。由于慣性儀表屬于精密設(shè)備，一般采用直流供電。為了不影響儀表的正常工作狀態(tài)，在電壓、電流實(shí)時(shí)測(cè)量方式上，本文采用了霍爾傳感器[1]，通過(guò)微控制器進(jìn)行信號(hào)采樣，進(jìn)行非侵入式的隔離測(cè)量電源檢測(cè)方案。該電源監(jiān)控系統(tǒng)作為慣性測(cè)試系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)4路供電狀態(tài)同時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)進(jìn)行電壓、電流狀態(tài)采集，既可以在板載的LCD屏幕上進(jìn)行信息顯示，又可以根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)主機(jī)的控制指令將電源狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送至測(cè)試系統(tǒng)主機(jī)，在系統(tǒng)主控屏幕上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。

在電源測(cè)量領(lǐng)域中[2]常用的霍爾傳感器包括霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器2大類，正好滿足同時(shí)監(jiān)控電壓和電流的功能需要。霍爾電壓傳感器和電流傳感器具有較好的性能，測(cè)量過(guò)程與被測(cè)的慣性儀表主供電回路完全隔離，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)主供電回路進(jìn)行電壓、電流狀態(tài)實(shí)時(shí)精確的監(jiān)測(cè)功能?；魻杺鞲衅骶C合了互感器和分流器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了互感器只適用于50 Hz的工頻測(cè)量、分流器無(wú)法進(jìn)行隔離測(cè)量的不足。

圖1 慣性測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于該電源監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)4路供電狀態(tài)同時(shí)監(jiān)控的功能，包含4個(gè)電壓采樣通道和4個(gè)電流采樣通道，并且需要進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算和顯示電源狀態(tài)，系統(tǒng)中選用了目前業(yè)界運(yùn)行速度較快的8位單片機(jī)，Silicon Labs公司的C8051F020[3-4]。C8051F系列單片機(jī)使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器內(nèi)核，其指令集與MCS-51完全兼容，具有標(biāo)準(zhǔn)8051的組織架構(gòu)，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的803x/805x匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。CIP-51采用流水線結(jié)構(gòu)，70%的指令執(zhí)行時(shí)間為1或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，是標(biāo)準(zhǔn)8051指令執(zhí)行速度的12倍；其峰值執(zhí)行速度為100 MIPS，是目前業(yè)界速度較快的。C8051F020內(nèi)部具有一個(gè)片內(nèi)12位SAR ADC（ADC0）[5-6]，一個(gè)多通道輸入多路選擇開關(guān)和可編程增益放大器。該ADC工作在100 ksps的最大采樣速率時(shí)可提供真正的12位精度，INL為±1 LSB。ADC0有其專用的VREF0輸入引腳，采用外部基準(zhǔn)可以保證采樣與計(jì)算的精度。

由于在慣性自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中，陀螺儀主供電采用5～24 V直流電源供電，單臺(tái)陀螺儀工作電流在2～8 A，故在設(shè)計(jì)電源監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)把電壓、電流的測(cè)量范圍目標(biāo)值分別設(shè)定為0～30 V和0～10 A，并根據(jù)此測(cè)量范圍進(jìn)行霍爾傳感器選型。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)霍爾傳感器的廠家較多，本文選擇的器件是南京中旭電子科技有限公司生產(chǎn)的HNV025A霍爾電壓傳感器和HIVC-10SY閉環(huán)霍爾電流傳感器。2種霍爾傳感器的技術(shù)指標(biāo)分別如表1和表2所示[7]。HNV025A是利用磁補(bǔ)償原理的霍爾電壓傳感器，能夠測(cè)量各種波形的電壓，采用的接線方式如圖2所示。

表1 HNV025A技術(shù)指標(biāo)

表2 HNC-10SY技術(shù)指標(biāo)

圖2 HNV025A霍爾電壓傳感器接線

HNV025A在使用中應(yīng)注意以下4點(diǎn):①對(duì)于初級(jí)電阻Ri，為使傳感器達(dá)到最佳精度，應(yīng)盡量選擇大小適當(dāng)?shù)腞i，使輸入電流為10 mA。②工作范圍應(yīng)考慮到初級(jí)線圈內(nèi)阻（與Ri相比，為保持溫差盡可能低）和隔離，此傳感器適用于測(cè)量電壓1～500 V。③當(dāng)把傳感器焊接在印刷板上時(shí)，用低溫烙鐵，焊接時(shí)間盡量短，避免造成管腳內(nèi)部聯(lián)線開路。④安裝時(shí)，印刷板上的安裝孔徑尺寸與傳感器尺寸相吻合，不能擠壓管腳，否則可能會(huì)造成管腳內(nèi)部聯(lián)線開路。HNC-10SY閉環(huán)霍爾電流傳感器直接輸出電壓信號(hào)，接線方式如圖3所示。

圖3 HNC-10SY霍爾電流傳感器接線

HNC-10SY在使用中應(yīng)注意:①待測(cè)電流從I入端進(jìn)入傳感器，從I出端流出，即可從輸出端取樣電壓值。②在印制板安裝時(shí)，輸入端導(dǎo)線寬度至少2 mm且越短越好，印制板應(yīng)采用雙面板布線，避免熱量聚集。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 供電設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)供電線路圖如圖4所示。該監(jiān)控系統(tǒng)供電與被測(cè)的陀螺儀主供電相互隔離，需要單獨(dú)一路直流供電。為使系統(tǒng)具有較好的電壓適應(yīng)范圍，系統(tǒng)的供電采用了寬電壓輸入的DC-DC模塊XR25/12T05-15，可以接受9～36 V的寬電壓輸入，具有較好的適應(yīng)性，輸出可以提供±15 V電壓，保證霍爾傳感器正常工作。為了給C8051F020微控制器供電，由+15 V處，采用LM2575和AS1117-3.3兩級(jí)LDO提供3.3 V電壓供給C8051F020使用。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)供電

2.2 分壓電路

分壓電路如圖5所示。對(duì)于HNC-10SY，根據(jù)表2中的技術(shù)參數(shù)，其額定的指示電壓輸出4 V，即圖5中的DL0為傳感器的輸出端。C8051F020單片機(jī)的供電電壓為3.3 V，由基準(zhǔn)電壓芯片REF193產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓為3 V。單片機(jī)的ADC輸入端的采樣電壓應(yīng)小于3 V，所以在通道1電流檢測(cè)端N0接入了可變電阻RP1，通過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，控制C8051F020的ADC輸入端的采樣電壓小于3 V，保證微控制器正常采樣，其他通道采用同樣的設(shè)計(jì)方式。在軟件中通過(guò)比例變換運(yùn)算得到實(shí)際的電壓、電流值。

圖5 分壓電路

2.3 基準(zhǔn)電壓

在AD采樣系統(tǒng)中，基準(zhǔn)電壓的精度直接影響測(cè)量結(jié)果精度。為了保證ADC的采樣精度，C8051F020系統(tǒng)中采用了AD公司的專用芯片REF193作為外部基準(zhǔn)源，提供3 V的電壓基準(zhǔn)。該基準(zhǔn)源內(nèi)部精度可達(dá)2 mV，具有較好的溫度系數(shù)，達(dá)到5×10-6/℃，可保證系統(tǒng)采樣精度。參考電壓輸出到連接微控制器的Vref端如圖6所示。

圖6 電壓基準(zhǔn)

3 軟件實(shí)現(xiàn)

C8051F020微控制器的監(jiān)控軟件，采用C語(yǔ)言編寫[8]，實(shí)現(xiàn)了上電初始化、電壓與電流通道循環(huán)檢測(cè)、本地LCD信息顯示、串行數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。軟件開發(fā)環(huán)境采用Keil uVision4。

軟件在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控被測(cè)慣性儀表的電壓、電流值，在本地的LCD屏幕上顯示的同時(shí)，可以根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)主機(jī)的指令，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)串行接口向上位機(jī)傳送。軟件流程如圖7所示。

圖7 程序流程圖

由于C8051F020單片機(jī)的AD為12位，電源監(jiān)控系統(tǒng)的電壓量程為0～30 V，電流量程為0～10 A，故軟件中，電壓、電流的計(jì)算公式為:

以下給出了讀取ADC0的采樣值，計(jì)算電壓、電流值，送LCD顯示的實(shí)現(xiàn)代碼:

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)該系統(tǒng)工作中的測(cè)量精度，本文采用程控電源和電子負(fù)載，在該設(shè)備的量程范圍內(nèi)，進(jìn)行了實(shí)測(cè)驗(yàn)證。對(duì)電壓測(cè)試，電壓源輸出0～30 V電壓，將電源的顯示值和LCD顯示的測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)；對(duì)電流測(cè)量，使程控電源工作在恒流狀態(tài)，將電流顯示值和LCD顯示的測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)。測(cè)試結(jié)果如表3和表4所示。

表3 電壓測(cè)量結(jié)果

表4 電流測(cè)量結(jié)果

表中的測(cè)試數(shù)據(jù)是直接采樣結(jié)果輸出，未在單片機(jī)軟件上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。從表中可以看出，電壓測(cè)量可以達(dá)到0.1 V的測(cè)量精度，電流測(cè)量可達(dá)到0.01 A的測(cè)量精度，完全可以達(dá)到監(jiān)控系統(tǒng)所需的電源測(cè)量精度，電路實(shí)物如圖8所示。

圖8 電路實(shí)物圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器，實(shí)現(xiàn)了在慣性測(cè)量系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)監(jiān)控被測(cè)陀螺儀的用電狀況。該監(jiān)控系統(tǒng)具有4個(gè)通道，可以同時(shí)精確監(jiān)控4個(gè)儀表的電壓值和電流值，并且監(jiān)控電路與被測(cè)儀表的主供電回路完全隔離，所以對(duì)被測(cè)儀表的工作狀態(tài)不會(huì)帶來(lái)任何影響。電壓測(cè)量精度可以達(dá)到0.1 V，電流測(cè)量精度可以達(dá)到0.01 A。該系統(tǒng)方案可應(yīng)用于需進(jìn)行非侵入式高精度電壓、電流監(jiān)控的環(huán)境，具有應(yīng)用推廣價(jià)值。

［1］陳杰，陳蕩，熊雄.C8051單片機(jī)與霍爾傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（7）:61-65.

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［3］謝維成，楊家國(guó).單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)［M］. 5版.北京:清華大學(xué)出版社，2014.

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［8］馬忠梅.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［M］.5版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

Monitoring system for multichannel power supply based on Hall sensors

HAO Bin，ZHANG Bai-lin
（School of Electronic Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

In the inertial measurement system，the design scheme of the multi-channel power supply monitoring system based on Hall sensor is realized.The Hall voltage sensor and the Hall current sensor are used in the system to realize the electric status of the gyroscope in real-time monitoring during the testing process.The monitoring system has 4 channels and can simultaneously monitor the voltage and current values of 4 meters accurately.Because the monitoring circuit is completely isolated from the power supply circuit of the instrument，it has no effect on the instrument.The experimental results show that the system can achieve high accuracy of the power state monitoring.

inertial instrument measurement；Hall sensor；C8051F020；power supply monitor

TN86；TP273

A

2095－0926（2015）02－0023－04

2015-04-18

郝 彬（1973—），男，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)通信與自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng).