【导读】本文将回顾 3D 霍尔效应位置传感器的基本原理，介绍这种传感器在机器人、篡改检测、人机接口控制和万向电机系统中的应用。然后以 Texas Instruments 的高精度、线性 3D 霍尔效应位置传感器为例，介绍相关的评估板及其应用指导，从而加快开发进程。如果您对3D霍尔效应传感器感兴趣，欢迎阅读，相信这篇文章会有所帮助。
文章概述
本文将回顾 3D 霍尔效应位置传感器的基本原理，介绍这种传感器在机器人、篡改检测、人机接口控制和万向电机系统中的应用。然后以 Texas Instruments 的高精度、线性 3D 霍尔效应位置传感器为例，介绍相关的评估板及其应用指导，从而加快开发进程。如果您对3D霍尔效应传感器感兴趣，欢迎阅读，相信这篇文章会有所帮助。
在各种工业 4.0 应用中，通过 3D 位置检测进行实时控制的情况越来越多，从工业机器人、自动化系统到机器人真空和安防。3D 霍尔效应位置传感器无疑是这些应用的极好选择，因为这种传感器具有很高的重复性和可靠性，而且还可与门窗、外壳组合，用于入侵或磁力破坏探测。
3D感测系统的设计挑战与解决方案
使用霍尔效应传感器设计有效、安全的 3D 感测系统可能是一个复杂、耗时的过程。霍尔效应传感器需要与一个功能强大的微控制器 (MCU) 连接，作为角度计算引擎并执行测量平均化，以及增益和失调补偿，以确定磁铁的方向和 3D 位置。MCU 还需要执行各种诊断功能，包括监测磁场、系统温度、通信、连续性、内部信号路径和电源。
除了硬件设计外，软件开发也可能是一个复杂而耗时的过程，从而再一次拖延产品上市时间。
什么是 3D 霍尔效应传感器？
诸如机器人之类的工业 4.0 系统，需要通过多轴运动检测来测量机器人手臂的角度，或在移动机器人的每个滚轮上进行多轴检测，以支持整个在设施内的导航和精确运动。集成 3D 霍尔效应传感器非常适用于这些任务，因为它们不容易受潮湿或灰尘的影响。使用共面测量法，可对旋转轴磁场进行高度精确的测量（图 2）。
图 2：集成 3D 霍尔效应传感器可以测量机器人和其他工业 4.0 应用中的轴旋转。（图片来源：Texas Instruments）
诸如电表和煤气表、自动取款机 (ATM)、企业服务器和收银机的安全外壳可以通过轴上磁场测量进行入侵检测（图 3）。当外壳被打开时，3D 霍尔效应传感器会检测到的磁通密度 (B) 下降，并且当磁通密度下降至低于霍尔开关的磁通释放点 (BRP) 点时，霍尔效应传感器发出警报。为了在关闭外壳时防止误报警，必须保持磁通密度必须足够大（相对于 BRP 来说）。由于磁铁的磁通密度往往会随着温度的升高而降低，因此使用具有温度补偿功能的 3D 霍尔效应传感器可以提高工业或户外环境中设备外壳的系统可靠性。
所有三个运动轴都有益于家用电器、测试和测量设备以及个人电子产品中的人机界面和控制。一个传感器可以监视 X 和 Y 平面内的运动，以识别转盘的旋转，并且可以通过监视 X 和 Y 磁轴的大幅移动来识别转盘何时被推动。监视 Z 轴可实现系统能够识别是否错位，并在转盘因为磨损或损坏可能需要预防性维护时发出警报。
手持式相机稳定器和无人机中的万向电机系统都得益于使用3D 霍尔效应传感器，这种传感器具有多个磁场灵敏度范围和其他可编程参数，可向 MCU 提供角度测量值（图 4）。MCU会根据需要不断调节电机位置以稳定平台。一个能准确无误地测量在轴和偏轴位置角度的传感器可提高机械设计的灵活性。
柔性 3D 霍尔效应传感器
Texas instruments 为设计者提供了一系列三轴线性霍尔效应传感器，包括TMAG5170 系列高精度 3D 线性霍尔效应传感器和 TMAG5273 系列低功率线性 3D 霍尔效应传感器，两者均具有循环冗余校验功能 (CRC)，但 前者采用 10 MHz 串行外设接口 (SPI)，后者采用 I²C 接口。
电源管理和振荡器功能块包括欠压和过压检测、偏置和振荡器。 霍尔传感器、相关偏置以及多路复用器、噪声滤波器、温度检测、积分电路和模数转换器 (ADC) 组成了检测、温度测量功能块。 通信控制电路、静电放电 (ESD) 保护、输入/输出 (I/O) 功能和 CRC 均包含在接口功能块中。 数字内核包括诊断电路和集成角度计算引擎，前者用于强制性和由用户启用的诊断检查功能以及其他内部管理功能，后者用于为在轴和偏轴角度测量提供 360° 角位置信息。
图 5：TMAG5170 型号器件和 TMAG5273 型号器件除了分别采用 SPI 接口（如上图所示）和 I²C 接口外，其所用 3D 霍尔效应传感器 IC 的内部功能模块是相同的。（图片来源：Texas Instruments）
图 6：TMAG5170EVM 和 TMAG5273EVM 都包括一块具有两个不同的 3D 霍尔效应传感器 IC 的快装电路板（右下），一个传感器控制板（左下），通过 3D 打印制造的旋转和推动模块（中间）以及一根 USB 电源电缆。（图片来源：Texas Instruments）
图 7：安装在 EVM 顶部的 3D 打印旋转和推动模块插图。（图片来源：Texas Instruments）
3D 霍尔传感器应用指导
TMAG5170 的结果寄存器的 SPI 读数或者 TMAG5273 的I²C 读数需要与转换更新时间同步，以确保读取正确的数据。TMAG5170 的 ALERT 信号或TMAG5273 的 INT 信号可用于在转换完成且数据准备就绪时通知控制器。 低电感去耦电容器必须放置在传感器引脚附近。建议使用电容值至少为 0.01 μF 的陶瓷电容器。 这些霍尔效应传感器可以嵌入采用非铁材料（如塑料或铝）制成的外壳内，而检测用磁铁位于外壳外面。传感器和磁铁也可以放置与 PC 板相对的一侧。
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