基于霍尔传感器的多通道电源监控系统设计

郝 彬，张柏霖

（天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222）

基于霍尔传感器的多通道电源监控系统设计

郝 彬，张柏霖

（天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222）

在惯性仪表测试系统中，实现了基于霍尔传感器的多通道电源监控系统的设计。该系统采用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，在测试过程中实时监控被测陀螺仪的用电状况。该监控系统具有4个通道，可以同时精确监控4个仪表的电压值和电流值。由于监控电路与被测仪表的供电回路完全隔离，测试过程中对被测仪表无影响。实验结果表明该系统可实现高精度的电源状态监控。

惯性仪表测量；霍尔传感器；C8051F020；电源监控

在对惯性陀螺仪进行测试的过程中，经常采用自动测试系统。测试系统主机的功能是控制陀螺仪测试平台的动作，接收陀螺仪的导航数据，进行导航结果的解算。在测试过程中，除了需要考察仪表的导航输出精度，还需要实时监测仪表的用电功耗情况。如果被测仪表的电压、电流值超过了预期范围，就要立即断电进行故障检验。针对上述需求，本文采用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，以C8051F020作为微控制器进行采样和运算，设计了在惯性测量系统中应用的4通道实时监控系统。

1 系统设计

惯性自动测试系统框架结构如图1所示。其中电源监控模块的作用是实时监控处于工作状态中的陀螺仪的电压、电流值。由于惯性仪表属于精密设备，一般采用直流供电。为了不影响仪表的正常工作状态，在电压、电流实时测量方式上，本文采用了霍尔传感器[1]，通过微控制器进行信号采样，进行非侵入式的隔离测量电源检测方案。该电源监控系统作为惯性测试系统中的子系统，可实现对4路供电状态同时监控，实时进行电压、电流状态采集，既可以在板载的LCD屏幕上进行信息显示，又可以根据测试系统主机的控制指令将电源状态数据发送至测试系统主机，在系统主控屏幕上进行数据显示。

在电源测量领域中[2]常用的霍尔传感器包括霍尔电压传感器和霍尔电流传感器2大类，正好满足同时监控电压和电流的功能需要。霍尔电压传感器和电流传感器具有较好的性能，测量过程与被测的惯性仪表主供电回路完全隔离，并可实现对主供电回路进行电压、电流状态实时精确的监测功能。霍尔传感器综合了互感器和分流器的优点，同时又克服了互感器只适用于50 Hz的工频测量、分流器无法进行隔离测量的不足。

图1 惯性测试系统结构图

由于该电源监控系统可实现对4路供电状态同时监控的功能，包含4个电压采样通道和4个电流采样通道，并且需要进行实时运算和显示电源状态，系统中选用了目前业界运行速度较快的8位单片机，Silicon Labs公司的C8051F020[3-4]。C8051F系列单片机使用Silicon Labs的专利CIP-51微控制器内核，其指令集与MCS-51完全兼容，具有标准8051的组织架构，可以使用标准的803x/805x汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51采用流水线结构，70%的指令执行时间为1或2个系统时钟周期，是标准8051指令执行速度的12倍；其峰值执行速度为100 MIPS，是目前业界速度较快的。C8051F020内部具有一个片内12位SAR ADC（ADC0）[5-6]，一个多通道输入多路选择开关和可编程增益放大器。该ADC工作在100 ksps的最大采样速率时可提供真正的12位精度，INL为±1 LSB。ADC0有其专用的VREF0输入引脚，采用外部基准可以保证采样与计算的精度。

由于在惯性自动测量系统中，陀螺仪主供电采用5～24 V直流电源供电，单台陀螺仪工作电流在2～8 A，故在设计电源监控系统时把电压、电流的测量范围目标值分别设定为0～30 V和0～10 A，并根据此测量范围进行霍尔传感器选型。国内生产霍尔传感器的厂家较多，本文选择的器件是南京中旭电子科技有限公司生产的HNV025A霍尔电压传感器和HIVC-10SY闭环霍尔电流传感器。2种霍尔传感器的技术指标分别如表1和表2所示[7]。HNV025A是利用磁补偿原理的霍尔电压传感器，能够测量各种波形的电压，采用的接线方式如图2所示。

表1 HNV025A技术指标

表2 HNC-10SY技术指标

图2 HNV025A霍尔电压传感器接线

HNV025A在使用中应注意以下4点:①对于初级电阻Ri，为使传感器达到最佳精度，应尽量选择大小适当的Ri，使输入电流为10 mA。②工作范围应考虑到初级线圈内阻（与Ri相比，为保持温差尽可能低）和隔离，此传感器适用于测量电压1～500 V。③当把传感器焊接在印刷板上时，用低温烙铁，焊接时间尽量短，避免造成管脚内部联线开路。④安装时，印刷板上的安装孔径尺寸与传感器尺寸相吻合，不能挤压管脚，否则可能会造成管脚内部联线开路。HNC-10SY闭环霍尔电流传感器直接输出电压信号，接线方式如图3所示。

图3 HNC-10SY霍尔电流传感器接线

HNC-10SY在使用中应注意:①待测电流从I入端进入传感器，从I出端流出，即可从输出端取样电压值。②在印制板安装时，输入端导线宽度至少2 mm且越短越好，印制板应采用双面板布线，避免热量聚集。

2 硬件电路设计

2.1 供电设计

监控系统供电线路图如图4所示。该监控系统供电与被测的陀螺仪主供电相互隔离，需要单独一路直流供电。为使系统具有较好的电压适应范围，系统的供电采用了宽电压输入的DC-DC模块XR25/12T05-15，可以接受9～36 V的宽电压输入，具有较好的适应性，输出可以提供±15 V电压，保证霍尔传感器正常工作。为了给C8051F020微控制器供电，由+15 V处，采用LM2575和AS1117-3.3两级LDO提供3.3 V电压供给C8051F020使用。

图4 监控系统供电

2.2 分压电路

分压电路如图5所示。对于HNC-10SY，根据表2中的技术参数，其额定的指示电压输出4 V，即图5中的DL0为传感器的输出端。C8051F020单片机的供电电压为3.3 V，由基准电压芯片REF193产生的基准电压为3 V。单片机的ADC输入端的采样电压应小于3 V，所以在通道1电流检测端N0接入了可变电阻RP1，通过电阻分压网络，控制C8051F020的ADC输入端的采样电压小于3 V，保证微控制器正常采样，其他通道采用同样的设计方式。在软件中通过比例变换运算得到实际的电压、电流值。

图5 分压电路

2.3 基准电压

在AD采样系统中，基准电压的精度直接影响测量结果精度。为了保证ADC的采样精度，C8051F020系统中采用了AD公司的专用芯片REF193作为外部基准源，提供3 V的电压基准。该基准源内部精度可达2 mV，具有较好的温度系数，达到5×10-6/℃，可保证系统采样精度。参考电压输出到连接微控制器的Vref端如图6所示。

图6 电压基准

3 软件实现

C8051F020微控制器的监控软件，采用C语言编写[8]，实现了上电初始化、电压与电流通道循环检测、本地LCD信息显示、串行数据发送等功能。软件开发环境采用Keil uVision4。

软件在运行过程中实时监控被测惯性仪表的电压、电流值，在本地的LCD屏幕上显示的同时，可以根据测试系统主机的指令，将监控数据通过串行接口向上位机传送。软件流程如图7所示。

图7 程序流程图

由于C8051F020单片机的AD为12位，电源监控系统的电压量程为0～30 V，电流量程为0～10 A，故软件中，电压、电流的计算公式为:

以下给出了读取ADC0的采样值，计算电压、电流值，送LCD显示的实现代码:

4 实验验证

为了检验该系统工作中的测量精度，本文采用程控电源和电子负载，在该设备的量程范围内，进行了实测验证。对电压测试，电压源输出0～30 V电压，将电源的显示值和LCD显示的测量值进行比对；对电流测量，使程控电源工作在恒流状态，将电流显示值和LCD显示的测量值进行比对。测试结果如表3和表4所示。

表3 电压测量结果

表4 电流测量结果

表中的测试数据是直接采样结果输出，未在单片机软件上进行统计处理。从表中可以看出，电压测量可以达到0.1 V的测量精度，电流测量可达到0.01 A的测量精度，完全可以达到监控系统所需的电源测量精度，电路实物如图8所示。

图8 电路实物图

5 结束语

本系统采用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，实现了在惯性测量系统中，实时监控被测陀螺仪的用电状况。该监控系统具有4个通道，可以同时精确监控4个仪表的电压值和电流值，并且监控电路与被测仪表的主供电回路完全隔离，所以对被测仪表的工作状态不会带来任何影响。电压测量精度可以达到0.1 V，电流测量精度可以达到0.01 A。该系统方案可应用于需进行非侵入式高精度电压、电流监控的环境，具有应用推广价值。

［1］陈杰，陈荡，熊雄.C8051单片机与霍尔传感器系统设计［J］.武汉工程大学学报，2012，34（7）:61-65.

［2］王楠，谷立臣.霍尔传感器状态监控电路的设计及其应用［J］.中国测试，2009，35（5）:973-76.

［3］谢维成，杨家国.单片机原理与应用及C51程序设计［M］. 5版.北京:清华大学出版社，2014.

［4］章蕊，朱世宇.基于C8051F340的水温检测算法［J］.自动化与仪器仪表，2013（5）:171-173.

［5］高杉，叶强，刘凌.基于C8051F系列单片机提高ADC分辨率的方法［J］.信息化研究，2011，37（1）:67-69.

［6］SILICON Laboratories.C8051F020/1/2/3混合信号ISP FLASH微控制器数据手册［M］.潘琢金，译.深圳:新华龙电子有限公司，2005.

［7］南京中旭电子科技有限公司.霍尔传感器产品手册［M］.南京:南京中旭电子科技有限公司，2014.

［8］马忠梅.单片机的C语言应用程序设计［M］.5版.北京:北京航空航天大学出版社，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，高级工程师，硕士，研究方向为数据通信与自动化测试系统.