CN104076196A - 一种高精度直流电流霍尔数字传感系统及电流测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度直流电流霍尔数字传感系统及电流测量方法，所述霍尔数字传感系统包括零磁通式霍尔传感器电路、单片机、放大电路、模拟信号输出电路及驱动电路；所述单片机包括内置温度传感器、第一D/A接口、第二D/A接口及8路A/D接口；所述电流测量方法包括单片机内置设备初始化、系统空载调零过程、建立匹配的二元函数、粗量所测电流及精量所测电流。所述霍尔传感系统大量降低了现有技术的高精度直流电流霍尔数字传感系统存在非线性误差、环境磁场干扰和剩磁误差导致测量精度低及线性误差大，并且由于实用了较低转换精度的A/D接口的单片机，所以成本较低；所述基于该霍尔传感系统的电流测量方法通过粗量和精量两个步骤使得所测电流值误差大大降低。

Description

一种高精度直流电流霍尔数字传感系统及电流测量方法

技术领域

本发明涉及电流采样领域，特别涉及一种高精度直流电流霍尔数字传感系统及电流测量方法。 

背景技术

目前市场上霍尔电流传感器大多是模拟传感器，霍尔数字传感器在市场中少见且售价一般都比较高，常见模拟电流霍尔传感器有两种，一种是直放式，还有一种是零磁通式；模拟电流霍尔传感器存在诸多影响电流测量精度的因素——零点热噪声、温度漂移、霍尔元件的非线性误差、环境磁场干扰和剩磁误差（零磁通式模拟电流霍尔传感器有较小的剩磁误差）等，这些因素致使目前模拟电流霍尔传感器的精度大多在1%左右，线性误差大多在1‰左右。 

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种高精度直流电流霍尔数字传感系统及电流测量方法，大量降低了现有技术的高精度直流电流霍尔数字传感系统存在非线性误差、环境磁场干扰和剩磁误差导致测量精度低及线性误差大。 

技术方案：为了实现发明目的，本发明公开了一种高精度直流电流霍尔数字传感系统，所述霍尔数字传感系统包括零磁通式霍尔传感器电路、单片机、放大电路、模拟信号输出电路及驱动电路；所述单片机包括内置温度传感器、第一D/A接口、第二D/A接口及8路A/D接口；单片机通过内置温度传感器采集工作环境温度；所述单片机通过单片机的第一D/A接口与驱动电路连接，所述驱动电路与零磁通式霍尔传感器的磁芯连接，零磁通式霍尔传感器的霍尔器件通过放大电路与单片机的第一路A/D接口相连接，所述模拟信号输出电路分别通过单片机的第二D/A接口和第二路A/D接口与单片机相连接。 

作为优选，为了进一步实现发明目的，所述零磁通式霍尔传感器的霍尔器件将电压信号通过放大电路处理后经第一路A/D接口发送至单片机，单片机通过内置温度传感器采集工作环境温度，单片机通过第一D/A接口输出可调电压至驱动电路并且驱动电路产生电流输出至零磁通式霍尔传感器的线圈上；单片机产生模拟电压通过第二D/A接口输出至模拟信号输出电路，并且模拟信号输出电路产生反馈电压通过第二A/D路接口输出至单片机。 

作为优选，同样可以实现发明目的，所述模拟信号输出电路为模拟电压输出电路或模拟电流输出电路。 

作为优选，为了使得所述传感系统成本较低且测量精度较高，所述单片机的A/D接口采用12bit采样精度。 

为了使得测量的电流值非常精确从而进一步实现发明目的，本发明还公开了一种基于所述高精度直流电流霍尔数字传感系统的电流测量方法，所述电流测量方法包括以下步骤： 

（1）将所述传感系统中单片机进行初始化，包括系统时钟初始化、A/D接口初始化及第一D/A接口和第二D/A接口初始化；其中，A/D接口初始化包括设置参考模拟电压、设置采样时钟源及设置采样方式，D/A接口初始化包括设置参考模拟电压及设置转换位数；还有I2C和UART等数字通信接口的初始化。

（2）通过第一D/A接口产生抑制电流施加于零磁通式霍尔传感器的线圈上将零磁通式霍尔传感器中霍尔器件的零点电压调零； 

（3）将零磁通式霍尔传感器所测电流值范围从空载到最大测量值平均分割为至少13个测试点，每个测试点记录至少21个温度值和至少21个电压值及其温度值和电压值相对应的电流值，并根据数据进行非线性理合，从而得到二元函数各阶系数，将该二元函数的各阶系数存储于单片机的存储器中；

（4）通过A/D接口采集到零磁通式霍尔传感器中霍尔器件的电压值和温度值，得到测量电压值的粗测值U1和环境温度值C；

（5）根据步骤（4）中的电压粗测值U1，计算调整第一D/A接口的输出电压，使得磁芯上逆向磁场得以加强，使得霍尔器件的输出电压Uo调整为：Uo=△测+n×△（n为整数且0≤n≤2），其中△是A/D的量化误差，△测是第一次粗量时截断误差，即△测<△；调整放大电路的放大倍数为第二放大倍数，使第二放大倍数为第一放大倍数的至少50倍，通过第一路A/D接口测得霍尔器件的第二电压值U2，则U2=第二放大倍数×(△测+n×△),其中，n为整数且0≤n≤2；则△测=(U2/第二放大倍数) Mod △，则测量电压精测值U精=U1+△测，将测量电压精测值U精和温度值C代入步骤（3）中的二元函数得到测量电流精测值I精。

  

（6）根据步骤（5）中的电流精测值I精和第二路A/D接口获得的当前0~4模拟信号输出电路的输出电压Uo，通过数字PID算法调整第二路A/D接口的输出电压，使得输出电压稳定在4×(I精/60)上（若使用4~20mA模拟电流输出电路亦如上法进行调整）。另外将I精装入I2C和UART等数字端口的发送寄存器中，发送到上位机上。

有益效果：本发明与现有技术相比，所述霍尔传感系统大量降低了现有技术的高精度直流电流霍尔数字传感系统存在非线性误差、环境磁场干扰和剩磁误差导致测量精度低及线性误差大，并且由于使用了较低转换精度的A/D接口的单片机，所以成本较低；所述基于该霍尔传感系统的电流测量方法通过粗量和精量两个步骤使得所测电流值误差大大降低。 

附图说明

图1为本发明高精度直流电流霍尔数字传感系统的结构示意图。 

具体实施方式

下面结合实施实例对本发明作更进一步的说明。 

如图1所示，零磁通式霍尔传感器电路1包括卷有线圈的磁芯11及霍尔器件12，单片机2采用MSP430系列中的MSP430F169 型单片机，单片机2包括一个8路12bit的A/D接口22、12bit的第一D/A接口23和12bit的第二D/A接口21、内置温度传感器（图中未示出）及内置I2C接口和内置UART接口；单片机2通过第二D/A接口21产生输出可调模拟电压供给0~4V模拟信号输出电路或4~20mA模拟电流输出电路，同时0~4V模拟信号输出电路或4~20mA模拟电流输出电路产生反馈模拟电压或反馈模拟电流输入通过A/D接口22输入至单片机2中；单片机2通过第一D/A接口23驱动外部驱动电路，驱动电路产生相应抑制电流作用于建立磁芯11的线圈上产生反向磁场。 

基于如图1所示系统，首先将A/D接口22初始化，包括设置参考模拟电压为1.5V、设置采用时钟源和采样方式；将第一D/A接口23和第二D/A接口21初始化，包括设置参考模拟电压为1.5V、设置转换位数为12bit；其余I2C接口和UART接口可以按需进行相应设置。 

接着进行系统空载调零过程。单片机2通过第一D/A接口23驱动外部驱动电路，驱动电路产生相应抑制电流作用于磁芯11的线圈上产生反向磁场，从而抑制环境磁场干扰和霍尔电路的零点电压，使得系统在空载时测量电压归零；系统空载调零过程采用数字PID算法，通过重复的逼近过程从而使零点电压在限定数值之内。 

然后采用二元函数的非线性理合算法进行二元函数的推解，将单片机2通过温度传感器读入的温度值和霍尔器件12的电压值，将整个测量范围从空载到最大值60A，每隔5A做一次采集，共做13次，并且每次采集记录21个温度值（-20℃~80℃，每隔5℃做一次采集）和21个测量电压值，最后将数据带入非线性理合算法，最终计算出一个二元函数各阶系数，并将该二元函数的各阶系数存储到单片机2的存储器中。 

这样就进入到测量过程，测量过程包括粗量过程和精量过程。粗量过程中将测量霍尔输出电压U和当前温度值C。粗量过程中霍尔器件12的工作电压为0.5V，其测量精度为1mV/A，其在60A下输出为60mV，A/D接口22的参考模拟电压为1.5V，将此时放大电路的放大倍数设为20倍，由于A/D接口22采用12bit的转换精度，则测量精度△=△=1.5/4095≈0.4mV，另有1mV/A*0.4mV/20=0.02A，则本系统的最小粗量电流精度为0.02A。有0.02A/60A≈3‰，则系统的粗量电流精度为3‰。进入精量过程，假设粗量过程中得到的粗量值为U，调整放大电路的放大倍数为1000倍，由于原系统△=0.4mV，也就是说，小于△的模拟电压将不被量化，提高精度的关键在于二次量化小于△的模拟电压（设该电压为△测），建设反馈回路磁钢上建立逆向磁场抵消的电压为U＇，则U₁=U-U＇。可以调整输出电压U＇使得，U₁=1000×(△测+n×0.4mV)，其中n是的整数且0≤n≤2，则有△测=(U1/1000)%0.4mV，最后测量值为U精=U+△测，最后U精和温度值C带入二元函数中计算电流I精的值即可。△测的精度既为整个系统的精度，有△=0.4mV，则有△测0.4mV/1000=0.4uV，则系统在20℃标准温度下精度测量的最小电流精度为1mV/A*0.4uV=0.0004A，则系统的精度测量电流精度为0.0004A/60A=0.7/100000。 

最后根据电流精测值I精和第二路A/D接口获得的当前0~4模拟信号输出电路的输出电压Uo，通过数字PID算法调整第二路A/D接口的输出电压，使得输出电压稳定在4×(I精/60)上（若使用4~20mA模拟电流输出电路亦如上法进行调整）。另外将I精装入I2C和UART等数字端口的发送寄存器中，发送到上位机上。 

    对所公开的上述实施例的说明，使本领域的专业技术人员能够实现或者使用本发明，对上述实施例的修改队本领域的专业技术人员是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明不限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。 

Claims (5)

1.一种高精度直流电流霍尔数字传感系统，其特征在于，所述霍尔数字传感系统包括零磁通式霍尔传感器电路、单片机、放大电路、模拟信号输出电路及驱动电路；所述单片机包括内置温度传感器、第一D/A接口、第二D/A接口及8路A/D接口；单片机通过内置温度传感器采集系统工作环境温度；所述单片机通过单片机的第一路D/A接口与驱动电路连接，所述驱动电路与零磁通式霍尔传感器的磁芯连接，零磁通式霍尔传感器的霍尔器件通过放大电路与单片机的第一路A/D接口相连接，所述模拟信号输出电路分别通过单片机的第二D/A接口和第二路A/D接口与单片机相连接。

2.如权利要求1所述的高精度直流电流霍尔数字传感系统，其特征在于，所述零磁通式霍尔传感器的霍尔器件将电压信号通过放大电路处理后经第一路A/D接口发送至单片机，单片机通过内置温度传感器采集工作环境温度，单片机通过第一路D/A接口输出可调电压至驱动电路并且驱动电路产生电流输出至零磁通式霍尔传感器的线圈上；单片机产生模拟电压通过第二D/A接口输出至模拟信号输出电路，并且模拟信号输出电路产生反馈电压通过第二路A/D接口输出至单片机。

3.如权利要求1或2所述的高精度直流电流霍尔数字传感系统，其特征在于，所述模拟信号输出电路为模拟电压输出电路或模拟电流输出电路。

4.如权利要求3所述的高精度直流电流霍尔数字传感系统，其特征在于，所述单片机的A/D接口采用12bit采样精度。

5.一种基于权利要求1所述高精度直流电流霍尔数字传感系统的电流测量方法，其特征在于，所述电流测量方法包括以下步骤：

（1）将所述传感系统中单片机进行初始化，包括系统时钟初始化、A/D接口初始化及第一D/A接口和第二D/A接口初始化；其中，A/D接口初始化包括设置参考模拟电压、设置采样时钟源及设置采样方式，D/A接口初始化包括设置参考模拟电压及设置转换位数；还有I2C和UART等数字通信接口的初始化；

（2）通过第一D/A接口产生抑制电流施加于零磁通式霍尔传感器的线圈上将零磁通式霍尔传感器中霍尔器件的零点电压调零；

（3）将零磁通式霍尔传感器所测电流值范围从空载到最大测量值平均分割为至少13个测试点，每个测试点记录至少21个温度值和至少21个电压值及其温度值和电压值相对应的电流值，并根据数据进行非线性理合，从而得到二元函数各阶系数，将该二元函数的各阶系数存储于单片机的存储器中；

（4）通过A/D接口采集到零磁通式霍尔传感器中霍尔器件的电压值和温度值，得到测量电压值的粗测值U1和环境温度值C；

（5）根据步骤（4）中的电压粗测值U1，计算调整第一D/A接口的输出电压，使得磁芯上逆向磁场得以加强，使得霍尔器件的输出电压Uo调整为：Uo=△测+n×△（n为整数且0≤n≤2），其中△是A/D的量化误差，△测是第一次粗量时截断误差，即△测<△；调整放大电路的放大倍数为第二放大倍数，使第二放大倍数为第一放大倍数的至少50倍，通过第一路A/D接口测得霍尔器件的第二电压值U2，则U2=第二放大倍数×(△测+n×△),其中，n为整数且0≤n≤2；则△测=(U2/第二放大倍数) Mod △，则测量电压精测值U精=U1+△测，将测量电压精测值U精和温度值C代入步骤（3）中的二元函数得到测量电流精测值I精；

（6）根据步骤（5）中的电流精测值I精和第二路A/D接口获得的当前0~4模拟信号输出电路的输出电压Uo，通过数字PID算法调整第二路A/D接口的输出电压，使得输出电压稳定在4×(I精/60)上（若使用4~20mA模拟电流输出电路亦如上法进行调整）；

另外将I精装入I2C和UART等数字端口的发送寄存器中，发送到上位机上。