袁月峰 郭斌 胡淑女 徐源

摘 要： 采用可編程線性霍爾位置傳感器為角度測量元件的非接觸式汽車電子油門踏板正在獲得越來越廣泛的應用。為了實現(xiàn)產(chǎn)品在線編程校準，企業(yè)目前需要依賴購買原裝進口的編程器套件，不僅價格高昂，也經(jīng)常出現(xiàn)各種故障和異常，維護溝通困難、周期長，且通信協(xié)議復雜難于掌握使用。針對MicronasTM公司的HAL880型霍爾傳感器設計研制了一種電子油門踏板專用編程校準系統(tǒng)，采用線性穩(wěn)壓器LM317和低導通內(nèi)阻的多路模擬開關ADG1608控制HAL880的編程通道，采用脈沖寬度捕獲法讀取識別其輸出寄存器數(shù)值。編程器采用dsPIC33EP256單片機為核心，設計開發(fā)了固件程序，采用Visual C#開發(fā)上位機通信校準程序。在某型踏板產(chǎn)品上進行實驗測試，結果顯示該系統(tǒng)能實現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)讀取、曲線校準和編程寫入的完整過程。

關鍵詞： 電子油門踏板; 霍爾傳感器HAL880; 系統(tǒng)設計; 編程校準; 多路模擬開關; dsPIC33EP256

中圖分類號： TN99?34; U467.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）12?0115?05

Abstract： The non?contact automobile electronic accelerator pedal which uses programmable linear Hall position sensor as the angle measurement element is being more and more widely applied. Enterprises currently need to rely on purchase of programmer sets imported with original packaging which are expensive， often have various faults and exceptions， are difficult for maintenance and communication， and have long period and complex communication protocols difficult to master and use， to realize the online programming calibration of products. A special programming calibration system for the electrical accelerator pedal was designed and developed for the application of Hall sensor HAL880 of MicronasTM. The linear voltage regulator LM317 and the multi?path analog switch ADG1608 with low?pass internal resistance are adopted to control the programming channel of HAL880. The pulse width capture method is adopted to read and recognize the values of the output register. Firmware program is designed and developed for the programmer， taking dsPIC33EP256 MCU as its core. Visual C# is adopted to develop the communication calibration program for the upper computer. An experiment for testing a certain type of pedal product was carried out. The results show that the system can accomplish the whole process of sensor data reading， curve calibration and programming write?in.

Keywords： electronic accelerator pedal; Hall sensor HAL880; system design; programming calibration; multi?path analog switch; dsPIC33EP256

0 引 言

傳統(tǒng)拉線式汽車油門控制缺乏精確性，響應慢，目前歐Ⅲ要求以上的汽車都已要求使用電子油門踏板[1]。電子油門使用傳感器測量踏板位置變化，可以更加精確靈敏地響應加速要求，更有利于達到排放要求。目前市場上主流電子油門踏板產(chǎn)品是使用霍爾位置傳感器來測量踏板角度變化。研發(fā)該踏板產(chǎn)品及相應的產(chǎn)品在線檢測標定系統(tǒng)[2?9]的文獻資料較多。國內(nèi)汽車油門踏板企業(yè)目前采用德國Micronas公司的HAL8xx系列線性可編程霍爾傳感器最為廣泛。為了實現(xiàn)產(chǎn)品在線編程校準，企業(yè)目前需要依賴購買原裝進口的編程器套件，不僅價格高昂，也經(jīng)常出現(xiàn)各種故障和異常，維護溝通困難，周期長，且通信協(xié)議復雜難于掌握使用。針對企業(yè)實際需求，設計研發(fā)一種針對HAL880芯片的在線編程校準系統(tǒng)樣機，不但實現(xiàn)替代了進口編程器，還進一步擴展了部分實用功能。樣機對于其他Micronas公司同類系列產(chǎn)品具有兼容擴展性。

1 HAL880傳感器結構原理

德國Micronas公司是一家服務全球汽車電子客戶的傳感器和零部件廠商，多種先進的可編程霍爾傳感器是該公司的特色產(chǎn)品，主要應用于工業(yè)自動化和汽車電子領域。國內(nèi)電子油門踏板產(chǎn)品目前應用較多的是該公司HAL880可編程線性霍爾位置傳感器[10]。

HAL880傳感器內(nèi)部結構原理如圖1所示。前端感知部分是霍爾敏感片，經(jīng)過片內(nèi)前置A/D轉換器轉換為數(shù)字量，進入數(shù)字信號處理單元（DSP）進行數(shù)字濾波、增益調(diào)整和偏移補償?shù)?，再通過后續(xù)D/A轉換和運放緩沖器變換輸出模擬電壓信號。芯片內(nèi)部集成E2PROM，分成多個控制寄存器單元，分別用于設置和保存?zhèn)鞲衅鞴ぷ髂Ｊ健⒋鸥袘獜姸攘砍?、溫度系?shù)、靈敏度、零點偏移量、上下限鉗位電壓和用戶代碼參數(shù)等。芯片為TO92三極管型封裝，三個引腳分別是VDD，GND和VOUT。芯片的編程通信通過在VDD引腳上輸入可編程電壓時序脈沖實現(xiàn)參數(shù)的寫入和固化存儲，通過VOUT引腳上的反饋數(shù)字脈沖序列讀取內(nèi)部寄存器數(shù)值輸出。

HAL880芯片VDD引腳正常工作電壓是5 V。在需要編程通信時，VDD引腳則在5.6～8.0 V之間跳變，在E2PROM的擦除和參數(shù)固化編程時則需要12.5 V的燒錄電壓。芯片通信時序較為特殊，手冊給出的標稱參考數(shù)值如下：VDD引腳編程通信的數(shù)字0用持續(xù)時間為1.75 ms的高電平8.0 V或者低電平5.6 V表示。數(shù)字1用在1.75 ms時間內(nèi)65%時間點產(chǎn)生電平切換表示。連續(xù)兩個數(shù)字0需要用一個高電平0和一個低電平0才能區(qū)分。每個寄存器的寫入過程是通過上述連續(xù)的電平變化時間序列幀實現(xiàn)。一幀數(shù)據(jù)包括1位起始位Sync同步字符0，3位命令碼COM，1位命令碼校驗位CP，4位寄存器地址碼ADR，1位寄存器地址校驗位AP，14位寄存器數(shù)據(jù)和1位數(shù)據(jù)校驗位DP。其中CP和AP位的校驗方式相同，是計數(shù)COM或ADR數(shù)據(jù)中0的個數(shù)，若為奇數(shù)，則校驗位為1;而DP位則相反，如14位DAT中0的個數(shù)為偶數(shù)，則DP為1，反之為0。HAL880的通信協(xié)議格式如圖2所示。

2 編程校準系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)硬件結構

根據(jù)HAL880芯片手冊[10]技術要求，設計了原理結構如圖3所示的編程器硬件電路。其中微處理器MCU選用Microchip微芯公司的16位增強型DSP內(nèi)核單片機dsPIC33EP256，最高工作主頻70 MHz，片內(nèi)256 kB FLASH和32 kB SRAM，集成了豐富實用的片上外設資源。尤其是其內(nèi)部具有9個16位通用定時計數(shù)器T/C，8路高分辨率可編程脈沖捕獲比較CCP單元，片內(nèi)12位500 KSPS模/數(shù)轉換器[11]，非常適合工控嵌入式控制器與傳感器儀表應用領域。

由于HAL880的編程通信電壓的容差范圍和紋波要求都比較嚴格，所以采用LM317線性可調(diào)穩(wěn)壓器芯片能實現(xiàn)精確而且低紋波的各種編程電壓。VDD引腳電壓的狀態(tài)切換則是通過ADI公司的ADG1608寬電壓低導通內(nèi)阻的多路模擬開關實現(xiàn)。為了方便通斷連接和其他外部電路，芯片的VDD/VOUT接口處采取信號繼電器連接。VOUT引腳在正常工作時是模擬電壓輸出，在編程通信時又作為響應數(shù)據(jù)的數(shù)字量輸出端口。VOUT引腳的連接采用了雙路2選1的ADG1636模擬開關做切換。數(shù)字脈沖信號通道經(jīng)過LM393的前置比較整形后再進入MCU的脈寬捕獲通道IC。模擬信號則經(jīng)串聯(lián)分壓低通濾波后進入單片機的12位A/D轉換通道。

編程器設計具有2路HAL880編程通道單元，2個通道共享同一組4路LM317電壓發(fā)生器，每通道內(nèi)部具有自己的多路模擬開關和信號繼電器。其他硬件單元還包括串口通信和工作狀態(tài)指示燈等。

2.2 編程器固件通信程序

編程器固件程序要實現(xiàn)上位機和傳感器之間的通信和數(shù)據(jù)轉換，關鍵功能主要包括將上位機發(fā)來的指令和寄存器數(shù)據(jù)翻譯轉換為正確的通信電平序列，將芯片輸出的數(shù)字脈沖序列捕獲并譯碼為正確的寄存器數(shù)值反饋給計算機，以及將芯片測量的模擬電壓進行A/D轉換采集傳輸給計算機。芯片單個寄存器的寫入過程以一個下限鉗位電壓ClampLow寄存器為例說明：

1） 對要寫入的寄存器二進制數(shù)值做范圍判斷及限幅，如ClampLow的允許范圍是一字節(jié)數(shù)0～255。

2） 計算寄存器數(shù)值部分的DP位，方法是將寄存器從最低位D0開始向左數(shù)14位，計數(shù)0的個數(shù)，若為奇數(shù)則返回0，反之是1，不足14位的寄存器高位補零計入。

3） 將COM指令（WRITE，0x03），CP，ADR （ClampLow， 0x01），AP，14位寄存器值DAT，DP位按順序連接組合成3個無符號字節(jié)數(shù)據(jù)wrbuf1，wrbuf2和wrbuf3。其中wrbuf1=COM<<5+CP<<4+ADR;wrbuf2=AP<<7+ClampLow/256;wrbuf3=ClampLow<<1+DP。

4） 選通通道A或B，將VDD引腳初始化為邏輯低電平5.6 V，先寫入一個SYNC同步字符0，然后按順序分別依次連續(xù)寫入wrbuf1，wrbuf2，wrbuf3三個字節(jié)內(nèi)容，即完成單個寄存器一幀數(shù)據(jù)的寫入。

5） 選通VOUT引腳的數(shù)字輸入通道，開啟單片機IC捕獲，等待傳感器的ACK反饋信號。測量ACK信號以上升沿開始至下降沿結束中間的高電平持續(xù)時間，正常范圍應在2～3 ms之間，標稱值2.54 ms。若檢測到正常寬度的ACK信號則表示本次寄存器寫入成功，可以繼續(xù)下一個寄存器的寫入。否則表示ACK信號異常，則寫入失敗。

HAL880的編程寫入過程，需要將除LOCK以外的全部6個工作參數(shù)寄存器數(shù)據(jù)一次性連續(xù)寫入，寄存器數(shù)據(jù)先后次序無影響，然后連續(xù)執(zhí)行一次擦除Erase指令和一次編程PROG指令就可以實現(xiàn)芯片數(shù)據(jù)的固化。相鄰的兩個寄存器寫入操作之間VDD引腳電平應保持為邏輯低電平5.6 V，并間隔20 ms以上的時間。