1 应用简报

引言

精确位置反馈在线性电机传输系统等诸多工业应用中至关重要。这些系统实施了一系列相同的线性电机线圈，可单独驱动这些线圈来驱动轨道上的动子平台网络。为了实现超高的位置精度分辨率，可以安装能够区分各个动子的传感器，以便向主机系统控制器提供反馈。TMAG5170 等三维霍尔效应传感器专为此任务而设计。线性电机传输系统中多个动子的位置感应 介绍了如何实现这一目标。

每个动子中磁体的尺寸会影响任何给定传感器的感应范围。随着磁体尺寸的增大，有效感应范围也会相应增加。此最大范围直接决定了在给定距离内精确跟踪位置所需的传感器数量。线性位置应用的磁体选择 提供了有关磁体选择如何影响感应范围的更多详情。

拓扑

假设有一条 1m 长的轨道，最大传感器间距为 20mm。那么，该段需要 50 个传感器在整个轨道长度内进行位置检测。

图 1 TMAG5170 传感器阵列示例

配置此设计的一个特殊挑战是如何整合大量器件，以便将数据传回主机并实现同步采样。对于 TMAG5170，该器件通过 SPI 运行并具有专用的转换启动硬件引脚。对于只有少量传感器的小型阵列，可以通过配置微控制器 (MCU) 来单独驱动每个传感器。

图 2 小型阵列扇出

在这种特殊情况下，设计受 MCU 中可用串行总线接口数量的限制。在图 2 中，单个 MCU 可以支持四个独立的传感器。因此，需要 13 个 MCU 来支持分布在 1m 轨道上的传感器阵列。

通过将串行数据输入、串行数据输出和时钟线扇出到所有传感器，可以增加单条 SPI 总线上的传感器数量。单条芯片选择线可路由到每个传感器。对于具有 16 个 GPIO 的 MCU，可以使用单个控制器与 13 个不同的传感器进行通信。此配置将所需的 MCU 数量从 13 个减少到 4 个。

图 3 大型阵列扇出

另一种进一步减少 MCU 数量的方法是，使用解码器来减少为每个传感器设置片选信号所需的 IO 引脚数量。采用 3:8 配置，可以使用单个 MCU 驱动整个传感器阵列

图 4 具有多路信号分离器的阵列扇出

对于优先考虑速度的系统，此设计对于使用每个传感器的专用 SPI 总线配置器件控制大有裨益。这种方法的成本超高，需要更大的 PCB 布局才能正确路由所有 SPI 线路。

对于寻求更大程度地降低成本和尺寸的系统，解码器可降低总元件成本并减少 PCB 布线。但是，随着单条总线上传感器数量的增加，任何传感器的测量总延迟也势必增加。

考虑其他系统权衡因素十分重要。TMAG5170 的工作电压范围为 2.3V 至 5.5V。支持 3.3V 或 5V 的标准逻辑电平，但需确认 SPI 总线与器件上的 V_CC 匹配。如果两者不匹配，需要使用电平转换器来验证电压域一致。线性电机传输系统中多个动子的位置感应 提供了有关针对特定时钟速率配置器件的详细信息。

MCU 必须依次串联每个传感器来获取整个轨道的完整视图，因此任何一个传感器的连续读取间隔时间必须相应进行调整。TMAG5170 在 ALERT 引脚上包含一个专用功能，支持同步转换启动，以便在整个系统轮询数据时实现每次转换的同步。这能够提高系统对同一轨道上多个动子的控制的稳健性。

驱动 SPI 和时序

考虑 MCU 和传感器的驱动能力。PCB 布线的总寄生电容和电感以及共享总线的每个器件的输入电容会影响最大通信速率。

当时钟速率增加时，一个特别值得关注的问题是由于布线和负载的阻抗不匹配而产生的反射。在图 5 中，不匹配传输线路的驱动端点（绿色）和接收端点（蓝色）探测到阻抗匹配不佳的时钟信号。为了便于比较，被驱动的信号用红色表示。

图 5 反射产生的过冲和下冲

观察到的反射的严重程度受以下因素影响：导线长度以及连接到传输线的器件的输入和输出阻抗。一种常见的做法是，通过安装终端 RC 网络来更大限度地减少对信号的此类影响。

除反射之外，时钟沿的压摆率同样限制了可能的最大数据速率。方程式 1 表示的是电容器上的电压变化。

因此，随着总线上传感器数量的增加，该线路的总寄生电容也会相应增加。如果 MCU 或传感器不能向时钟或数据线提供足够的电流，则上升沿和下降沿时间会变长。上升沿和下降沿时间的增加可能会导致违反时序要求。应验证系统满足所有建立和保持时间以及上升和下降时间要求。

图 6 TMAG5170 SPI 时序图

如果扇出太大而无法达到所需的传感器数量，则使用时钟和数据缓冲器来帮助保持干净的数据传输。

结论

当使用 TMAG5170 等器件通过 SPI 提供数字通信时，可启用大型传感器阵列。根据阵列的大小，可以使用多种方法来减少采集所有相关数据所需的微控制器总数。对于在单个网络上扇出多个器件的大型阵列，验证数据传输的质量时，可能还需要考虑增加的电容和布线阻抗。

更多信息，请参阅以下器件建议和支持文档。