霍爾式高精度電流采集電路的設(shè)計

王雅薈 馮浩 孫旭升

【摘要】? ? 國產(chǎn)飛機采用渦輪螺旋槳發(fā)動機作為動力源，將螺旋槳旋轉(zhuǎn)時輸出軸的功率轉(zhuǎn)化位為推動力，使飛機前進。一旦潤滑油缺失，將會導(dǎo)致潤滑失效。故瞬槳泵和引射活門電磁閥的控制以及電流采集、過流保護功能對于動力控制系統(tǒng)的安全性影響巨大。

【關(guān)鍵詞】? ? 霍爾效應(yīng)? ? 電流采集? ? 功率負載

一、霍爾式傳感器的工作原理與特性

磁場恒定，在一定環(huán)境溫度下，控制電流I與霍爾輸出電勢UH之間呈線性關(guān)系，直線的斜率稱為控制電流敏感度?；魻栐撵`敏度系數(shù)越大，其控制電流敏感度也越大。

二、整體架構(gòu)

由于功率負載（瞬槳泵和引射活門電磁閥），接地時穩(wěn)態(tài)電流1A，接通瞬間電流7.5A、10ms。

通過處理器的GPIO 引腳輸出控制信號，經(jīng)過緩沖器后控制N溝道場效應(yīng)管輸出2路1A 的離散量信號，輸出信號通過HI芯片1進行回采，由處理器的GPIO進行讀取并監(jiān)控，實現(xiàn)BIT 檢測。

2.1 MCU選用

選用ST公司的STM32F7系列處理器，借助ART Accelerator?技術(shù)和L1緩沖器，可以實現(xiàn)1082 CoreMark/462 DMIPS。

該處理器性能指標如下：

ARM 32-bit Cortex?-M7 架構(gòu)，支持雙精度浮點運算，內(nèi)核最大工作頻率

216MHz;512K×16 Bits SRAM ，2018K×16 Bits Flash;靈活的外部存儲器接口，支持32 位數(shù)據(jù)總線;最多支持4 路I2C，4 路UART，6 路SPI，3 路CAN 及SDIO 等多種外部總線;內(nèi)部集成上電引導(dǎo)，便于軟件加載;集成24 通道的12 位2.4 MSPS A/D 轉(zhuǎn)換器;集成2 路12 位D/A;集成通用DMA控制器，支持加速模式并自帶FIFO;片上集成6 通道的PWM單元;最大支持168 個I/O，兼容5V 接口電壓;系統(tǒng)自帶18 個定時器;支持JTAG 調(diào)試接口;內(nèi)部可配置獨立看門狗和窗口看門狗，在CPU 軟件出現(xiàn)故障或者運行時鐘異常時執(zhí)行復(fù)位或中斷程序。

2.2總線緩存器

總線緩存器SN74LV4T125是一款低電壓CMOS緩沖器門，并且運行在針對便攜式和電池后備的更寬電壓范圍內(nèi)。采用了較低閾值電路來設(shè)計此輸入，以便匹配Vcc=3.3V時的1.8V輸入邏輯，并且可被用于1.8V至3.3V電平上行轉(zhuǎn)換器功能中。此外，輸入端上的5V輸入耐受可在Vcc=2.5V時芯片配置為3.3V至2.5V輸入耐受可在Vcc=2.5V時將芯片配置為3.3V至2.5V輸出的下行轉(zhuǎn)換為1.8V至2.5V的輸出的下行轉(zhuǎn)換1.8V至5.5V的寬Vcc范圍有可能實現(xiàn)所需的開關(guān)輸出電平連接至控制器或處理器。僅通過一個源即可完成電平轉(zhuǎn)換，具體的電平由緩存器具體的供電電壓決定。且芯片能夠識別的門限值很低。針對總線緩存器端口的輸入信號高電平值≮2V，低電平值≯0.9V，處理器端口的輸出信號高電平≮2.9V，輸出信號低電平值≯0.4V，如圖2所示。SN74LV1T125被設(shè)計成具有8mA的電流驅(qū)動能力，以減少由高驅(qū)動輸出導(dǎo)致的線路反射，過沖和下沖。輸入引腳可耐受5.0V電壓，40°C至125°C工作溫度范圍，鎖斷性能超過250mA。

2.3 MOS管組成的開關(guān)控制通道

當(dāng)UDS=0且UGS>0時，使溝道剛剛形成的柵-源電壓成為開啟電壓UGS（th）。UGS（th）愈大，反型層愈厚，導(dǎo)電溝道電阻愈小。

處理器在復(fù)位過程中，GPIO 引腳配置為開路狀態(tài)，緩沖器的使能端上拉至電源，緩沖器輸出為開路，N溝道場效應(yīng)管輸出也為開路。采用N 溝道場效應(yīng)管及外圍電路實現(xiàn)，該系列場效應(yīng)管漏源最大電壓100V，最大漏級工作電流36A，導(dǎo)通電阻0.044Ω。

2.4霍爾式電流采集IC

通過用作電流感測通路的主要銅質(zhì)電流路徑（從引腳1和2，到3和4）的電流不斷上升時，器件的輸出具有正斜率，該傳導(dǎo)通路的內(nèi)阻通常是mΩ，具有較低的功率損耗，100mV/A輸出靈敏度，輸出電壓與交流或直流電流成比例，能夠采集最大為20A的電流。

當(dāng)通過用作電流感測通路的主要銅質(zhì)電流路徑（從引腳1和2，到3和4）的電流不斷上升時，器件的輸出具有正斜率，該傳導(dǎo)通路的內(nèi)電阻通常是mΩ，具有較低的功率損耗。

根據(jù)手冊可知總的電流采集誤差ETOT≯±1.5%。，能夠滿足采集精度要求。

輸出敏感度是磁感應(yīng)電路敏感度為100mV/A，線性的IC放大增益可以保證電流采集IC在全范圍電流狀態(tài)下精度。

2.5分壓電路

已知大功率執(zhí)行器的瞬態(tài)電流最大為7.5V，通過霍爾式電流采集IC，不考慮誤差的情況下，電壓范圍為2.5V～3.25V。后經(jīng)過分壓電路，電壓轉(zhuǎn)換為1.25V～1.625V。

在本文中，在已知電流異常最能反映系統(tǒng)故障，通過情況下，如果電流異常能夠得到關(guān)注并迅速解決，能夠降低設(shè)備的持續(xù)傷害率。

通過分析可知，選用HOLT 公司的HI 系列接口芯片及外圍電路分別實現(xiàn)離散量輸出和回采功能，由處理器的GPIO 口分別輸出控制信號給HI 芯片1輸出對應(yīng)每路離散量輸出邏輯電平為1 時，輸出地信號，最大驅(qū)動能力為200mA，輸出導(dǎo)通電阻為4.5Ω，延時最小為400nS;邏輯電平為0時，輸出開路信號，漏電流小于10nA，開路阻抗>100kΩ，延時最大為900nS。

每路離散量輸出具備200mA 過流檢測能力，由處理器的GPIO 引腳進行檢測，過流時邏輯電平指示為1。每路離散量輸出具備狀態(tài)回采功能。由處理器的GPIO 口進行結(jié)合控制控制邏輯進行判別。處理器在復(fù)位過程中，GPIO 引腳配置為開路狀態(tài)，HI 芯片內(nèi)部控制端下拉至地，芯片對外輸出為開路。

參? 考? 文? 獻

[1] 龍芃君. 風(fēng)速傳感器的設(shè)計研究 [J]. 低碳世界. 2019 （01）

[2] 鄭曉東，王健. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全路由技術(shù)研究 [J]. 中國信息化.2018 （12）

[3] 王晶，周新淳. 現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下環(huán)保共享型智能快遞系統(tǒng)研究 [J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新. 2018 （33）

[4] 彭仁堂，田占軍. HEMIS-用于能源管理和家庭自動化的混合架構(gòu) [J]. 現(xiàn)代經(jīng)濟信息. 2018 （23）

[5] 曹銀平. 橫河川儀EJA差壓/壓力變送器年訂貨量突破30萬臺 [J].自動化博覽. 2018 （11）

[6] 彩婭. 環(huán)境監(jiān)測中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用分析 [J]. 化工管理. 2019 （01）