CN106680537A - 用于霍尔电流传感器的诊断和自保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于霍尔电流传感器的诊断和自保护电路，包括：微控制器MCU，其包括端口1-4，用于接收并处理各端口输入的电信号，并输出相应的处理结果；电路保护模块2，其分别连接霍尔电流传感器的输出端和MCU的端口1；信号处理模块1，其分别连接电路保护模块2的输出端和MCU的端口3，用于将霍尔电流传感器输出的电流信号转换为MCU可识别的电压信号；电路诊断模块3，其分别连接电路保护模块2的输出端和MCU的端口2和端口4。本发明提供的用于霍尔电流传感器的诊断和自保护电路，整体结构设计简单，具有自适应调整限流的保护功能，同时能实现对短接和短路位置的准确诊断。

Description

用于霍尔电流传感器的诊断和自保护电路

技术领域

本发明涉及汽车电子技术领域，具体而言，涉及一种用于霍尔电流传感器的诊断和自保护电路。

背景技术

随着电子技术的发展，汽车的电子化程度也越来越高。良好汽车控制系统能改善车轮和地面之间的附着状况，进而改善汽车的安全性、动力性和舒适性。传感器是电子技术中的核心器件，是一种进行信号变换的装置，它的作用是把被测的非电量信号转变成为电量信号，是促进汽车技术全面发展的关键器件。现如今汽车越来越多地配置类似霍尔式传感器的测量装置，以将车速、轮速等信息反馈给各类车辆电子控制系统，例如，防抱死制动(ABS)、驱动防滑(ASR)、电子制动力分配(EBD)、转向制动控制(CBC)、电子稳定程序(ESP)。

图1a-图1b是现有技术中的霍尔式传感器用作轮速传感器的示例图。现有的轮速传感器包括：用于承载差动霍尔电路的印刷电路板、作为永磁体的磁钢、用于密封的环氧树脂、用于输出的柔性电缆和传感器电缆，现有的霍尔式传感器包括永磁体、霍尔元件和电子电路组成。永磁体的磁力线穿过霍尔元件通向齿轮，齿轮相当于一个集磁器。如图1a所示，当齿轮位于图1a所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场相对较弱；如图1b所示，当齿轮位于图1b所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线集中，磁场相对较强。齿轮转动时，使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化，因而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一个mV级的准正弦波电压。近几年，随着传感器技术的发展，在汽车电子领域出现了不同输出信号类型的传感器，例如，磁电式传感器、霍尔电压式传感器、霍尔电流式传感器。

图2是现有技术中的使用霍尔式传感器检测轮速电路系统的示例图。如图2所示，对于霍尔电流式传感器而言，因其具有传感器集成简单，整车线束布局容易，系统集成成本低等优点，所以其使用领域越来越广泛。但是，对于霍尔电流式传感器，目前的电路设计仅具有信号的简单读取功能；现有的电路设计复杂，使得信号的读取稳定性不高；而且，对于短路或过电压、过电流等问题，尚不能达到为传感器电路提供电路保护功能。

有鉴于此，针对现有汽车中的霍尔电流式传感器电路的不足，需要设计新的电路结构，以提高电路信号读取的稳定性。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种用于霍尔电流传感器的诊断和自保护电路，以提高电路信号读取的稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了1.一种用于霍尔电流传感器的诊断和自保护电路，包括：MCU，其包括端口1-4，用于接收并处理各端口输入的电信号，并输出相应的处理结果；电路保护模块2，其分别连接霍尔电流传感器的输出端和MCU的端口1；信号处理模块1，其分别连接电路保护模块2的输出端和MCU的端口3；电路诊断模块3，其分别连接电路保护模块2的输出端和MCU的端口2和4。

在上述电路中，MCU的端口1用于在长时间过流情况下关闭信号输入通路；MCU的端口2用于控制三极管T2管以实现区分开路与短接到地诊断；MCU的端口3作为MCU数字输入信号端口识别电路转化的电压信号；MCU的端口4作为MCU的ADC输入端口用以实现短接到电源情况的诊断。

在上述电路中，信号处理模块1能够用于将霍尔电流传感器输出的电流信号转换为MCU可识别的电压信号。

在上述电路中，电路保护模块2能够用于处理霍尔电流传感器输出的电流信号，以对实际电路中所能产生的短接到电源而造成的过流或过压的错误情况进行保护。而且，电路保护模块2中的热敏电阻R1、R2以及三极管T1相互连接形成负反馈结构电路，以进行自适应调整限流 的保护值。

在上述电路中，电路诊断模块3能够用于判断电路发生短接或开路的具体电路位置。

进一步地，所述电路保护模块2包括：过流过压保护电路单元，包括二极管D1和三极管T1和电容C1，其中T1集电极端连接C1第一端和霍尔电流传感器的输出端，并且T1的发射极连接至采样电阻R_s；自适应调整电路单元，包括电阻R1和电阻R2，其连接在三极管T1的基极端，以调整三极管T1的静态工作点使其工作在饱和区。

进一步地，所述电阻R1、电阻R2与三极管T1的交汇连接点共同连接至MCU的端口1。

进一步地，所述电阻R1为正温度系数的热敏电阻，所述电阻R2为负温度系数的热敏电阻。

进一步地，所述信号处理模块1包括：信号转换电路单元11，包括采样电阻R_s，其第一端为接地端并且第二端连接电路保护模块2中三极管T1的发射极；信号比较电路单元12，包括电压比较器IC1，其正极输入端通过电阻R4和电容C2组成的RC滤波电路连接采样电阻R_s的第二端，负极输入端连接至电阻R5和电阻R6组成的电阻桥与反馈电阻R7的交汇点，并且输出端连接MCU的端口3。

进一步地，所述信号处理模块1还包括：阻容电路单元RC，包括电阻R4和电容C2，其第一端连接采样电阻R_s的第二端，并且其第二端连接电压比较器IC1的正极输入端；阈值电路单元，包括电阻R5和电阻R6，其第一端连接电源电压VCC，并且其第二端连接电压比较器IC1的负极输入端；比较器负反馈电路IC1，包括电阻R7，其第一端连接在电阻R5和电阻R6之间，并且其第二端连接电压比较器IC1的输出端；信号上拉电路单元，包括电阻R8，其第一端连接在电压比较器IC1的输出端和MCU的端口3之间。

进一步地，所述电路诊断模块3包括：低通滤波电路单元，包括电阻R9和电容C9，其第一端连接采样电阻R_s的第二端，并且其第二端连接MCU的端口4，MCU端口4作为MCU的ADC输入端口用以实现短接到电源情况的诊断；诊断控制电路单元，包括三极管T2和电阻R3，其 第一端连接在电阻R9和R4之间，并且其第二端连接MCU的端口2。

本发明提供的用于霍尔电流传感器的诊断和自保护电路，整体结构设计简单，具有自适应调整限流的保护功能，同时能实现对短接和短路位置的准确诊断。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1a-图1b是现有技术中的霍尔式传感器用作轮速传感器的示例图；

图2是现有技术中的使用霍尔式传感器检测轮速电路系统的示例图；

图3是本发明一实施例的用于霍尔电流传感器的诊断和自保护电路的结构示意图；

图4是本发明一实施例的信号处理模块1的模块示意图；

图5是本发明信号处理模块1的一实施例的电路示意图；

图6是本发明一实施例的电路保护模块2的模块示意图；

图7是本发明电路保护模块2的一实施例的电路示意图；

图8是本发明一实施例的电路诊断模块3的模块示意图；

图9是本发明电路诊断模块3的一实施例的电路示意图；

图10是本发明一实施例的用于霍尔电流传感器的诊断和自保护电路的整体电路示意图；

图11是本发明一实施例的用于霍尔电流传感器的诊断和自保护电路的进行全诊断的流程示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明 的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当这里称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关的列出项的任一器件和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

图3是本发明一实施例的用于霍尔电流传感器的诊断和自保护电路的结构示意图。如图3所示，本发明设计的用于霍尔电流传感器的诊断和自保护电路包括：信号处理模块1、电路保护模块2、电路诊断模块3和MCU单元。这4部分功能电路彼此联结，共同实现本发明中所描述的信号处理、短路/短接的保护和诊断的功能。MCU用于接收并处理各端口输入的电信号，并输出相应的处理结果。电路保护模块2用于处理霍尔电流传感器输出的电流信号，以对实际电路中所能产生的短接到电源或电压而造成的过流或过压进行保护，并且引入了负反馈理念，以进行自适应调整限流的保护值。信号处理模块1用于将霍尔电流传感器输出的电流信号转换为MCU可识别的电压信号。电路诊断模块3用以判断电路发生短接或开路的具体电路位置。

图4是本发明一实施例的信号处理模块1的模块示意图。如图4所 示，信号处理模块1用于将传感器输出的电流波形信号转换为MCU识别的电压波形信号。信号处理模块1包括：信号转换电路单元11和信号比较电路单元12。信号转换电路单元11的输入端连接霍尔电流传感器的输出端。信号转换电路单元11的输出端连接信号比较电路单元12的输入端。信号比较电路单元12的输出端连接MCU的端口3。霍尔电流传感器输出的电流信号经过信号转换单元11后转变成电压波形信号。信号比较单元12将转换后的电压信号与阈值进行比较，最后转变成MCU可识别的输入信号。

图5是本发明信号处理模块1的一实施例的电路示意图。如图5所示，信号处理模块1包括：相互连接的电阻R4、R5、R6、R7、R8、电容C2、电压比较器IC1。信号转换电路单元11包括采样电阻R_s，其第一端为接地端并且第二端连接电路保护模块2中三极管T1的发射极(如图5中的预处理信号)；信号比较电路单元12包括电压比较器IC1，其正极输入端通过电阻R4和电容C2组成的RC滤波电路连接采样电阻R_s的第二端，负极输入端连接至电阻R5和电阻R6组成的电阻桥与反馈电阻R7的交汇点，并且输出端连接MCU的端口3。

如图5所示，传感器信号经过预处理电路形成的预处理信号，经过信号转换电路单元11，即图4中的采样电阻R_s转变为弱电压信号V1，其电压信号的强弱取决输入电流I_i的信号强弱以及采样电阻R_s的选值。例如，弱电压信号V1可以参考如下公式1获得。

V1＝I_i/R_s 公式1

如图5所示，弱电压信号V1信号比较电路单元12，即图4中的电压比较器IC1的正极输入端。电压比较器IC1的负极输入端的阈值比较电压V_th1取决于R5、R6的选值。例如，阈值比较电压V_th1可以参考如下公式2获得。

V_th1＝Vcc*R6/(R5+R6) 公式2

当弱电压V1大于阈值比较电压V_th1时，信号比较电路单元12将高电平输出给MCU的；反之，弱电压V1小于阈值比较电压V_th1，低电平输出给MCU。

如图5所示，信号处理模块1还包括：阻容电路单元RC，包括电阻 R4和电容C2，其第一端连接采样电阻R_s的第二端，并且其第二端连接电压比较器IC1的正极输入端；阈值电路单元，包括电阻R5和电阻R6，其第一端连接电源电压VCC，并且其第二端连接电压比较器IC1的负极输入端；比较器负反馈电路IC1单元，包括电阻R7，其第一端连接在电阻R5和电阻R6之间，并且其第二端连接电压比较器IC1的输出端；信号上拉电路单元，包括电阻R8，其第一端连接在电压比较器IC1的输出端和MCU的端口3之间。

图6是本发明一实施例的电路保护模块2的模块示意图。如图6所示，电路保护单元2，用于处理霍尔电流传感器输出的电流信号，以对实际电路中所能产生的短接到电源而造成的过流或过压的错误情况进行保护；并且引入了负反馈理念，可以自适应调整限流的保护值。电路保护单元2由过流过压保护单元21和自适应调整单元22连接而成。

通过该实施例，霍尔电流传感器输出的电流信号，首先通过过流过压保护电路单元21。因为实际的电路应用中，有发生如电池电压16V错误短接到电路输入口的可能，所以在信号的输入端就需要用过流过压保护电路单元21进行保护，以防止当短接电源情形下迅速烧毁R_s。

如图6所示，负反馈结构电路包括热敏电阻R1,R2以及T1，以进行自适应调整限流的保护值。

图7是本发明电路保护模块2的一实施例的电路示意图。如图7所示，电路保护模块2包括：过流过压保护电路单元，包括二极管D1和三极管T1，其集电极端连接霍尔电流传感器的输出端(如图7中传感器,以及C1)，并且发射极连接至采样电阻R_s；自适应调整电路单元，包括电阻R1和电阻R2，其连接在三极管T1的基极端，以调整三极管T1的静态工作点使其工作在饱和区。如图7所示，电阻R1、电阻R2与三极管T1的交汇连接点共同连接至MCU的端口1。二极管D1和三极管T2共同作用实现识别电路发生短接到地或者开路的错误。

如图7所示，电阻R1与电阻R2组成的电阻桥连接在三极管T1的基极端。霍尔传感器信号连接至三极管T1的集电极端，三极管T1的发射极连接至采样电阻R_s。

优选地，电阻R1为正温度系数的热敏电阻，电阻R2为负温度系数 的热敏电阻。随着周边温度的升高，R1的电阻值将增大，R2电阻值将减小。通过该优选实施例，在霍尔电流传感器正常输入信号时，电阻R1与电阻R2组成的桥式电路调整三极管T1的静态工作点使其工作在饱和区。这时T1相当于一个导通的开关，电流信号正常通过电路。

优选地，当电路有错误发生短接至电池电压16V时，根据三极管的工作原理，集电极电压将迅速升高，三极管T1将进入放大区。此时，通过三极管T1的电流将受到限制I_lim。该限制电流将通过T1的集电极和发射极，同时通过采样电阻R_s，该限制电流I_lim将保护R_s和T1避免迅速烧毁。

优选地，如图7电阻桥与三极管的电路布图示意图，电阻R1和电阻R2在电路布图中布局于三极管T1的附近位置。

当发生长时间的短接至电池电压的情形，较大的限制电流I_lim将长时间的通过三极管T1和R_s，这将导致三极管T1和R_s持续升温。如果该情况持续，将大大降低三极管T1和R_s的使用寿命。

优选的，根据本发明的方案。随着电池短接时间的延续。T1和R_s温度升高，进而导致其附近的电阻R1和电阻R2温度升高，从而使电阻R1的电阻值增大，而电阻R2电阻值减小；然后，电阻R1与电阻R2的分压值也即三极管T1的静态工作点电压V2也随之增大，限制电流I_lim将减小三极管T1和R_s的温度将自动降低。

当电池短接的错误消失后，三极管T1和采样电阻R_s温度将降低，通过所述负反馈闭环调整，静态工作点电压V2将随之减小。从而使电路自动回归正常工作状态。

图8是本发明一实施例的电路诊断模块3的模块示意图。如图8所示，电路诊断模块3用于诊断整套电路短路或断路，具体包括：短接到电源、短接到地、开路的诊断。电路诊断模块3包括低通滤波电路单元31和诊断控制电路单元32。

图9是本发明电路诊断模块3的一实施例的电路示意图。如图9所示，电路诊断模块3分别连接电路保护模块2的输出端(如图9中R_s的上端)和MCU的端口2和端口4，用以判断电路发生短接或开路的具体电路位置。如图9所示，电路诊断模块3包括采样电阻R_s、三极管T2、 电阻R3、电阻R9、电容C9。低通滤波电路单元31包括电阻R9和电容C9，其第一端连接采样电阻R_s的第二端，并且其第二端连接MCU的端口4，MCU端口4作为MCU的ADC输入端口，用以实现短接到电源情况的诊断。诊断控制电路单元32包括三极管T2和电阻R3，其第一端连接在电阻R9和R4之间，并且其第二端连接MCU的端口2。电阻R3与三极管T2串联后连接至Vcc电压端，三极管T2的基极由MCU进行控制。

图10是本发明一实施例的用于霍尔电流传感器的诊断和自保护电路的整体电路示意图。如图10所示，MCU，其包括端口1-4，用于接收并处理各端口输入的电信号，并输出相应的处理结果。MCU的端口1用于在长时间过流情况下关闭信号输入通路；MCU的端口2用于控制T2管以实现区分开路与短接到地诊断；MCU的端口3作为MCU数字输入信号端口识别电路转化的电压信号；MCU的端口4作为MCU的ADC输入端口用以实现短接到电源情况的诊断。电路保护模块2，其分别连接霍尔电流传感器的输出端和MCU的端口1，用于处理霍尔电流传感器输出的电流信号，以对实际电路中所能产生的短接到电源或电压而造成的过流或过压进行保护，并且引入了负反馈理念，以进行自适应调整限流的保护值。信号处理模块1，其分别连接电路保护模块2的输出端和MCU的端口3，用于将霍尔电流传感器输出的电流信号转换为MCU可识别的电压信号。电路诊断模块3，其分别连接电路保护模块2的输出端和MCU的端口2和4，用以判断电路发生短接或开路的具体电路位置。

图11是本发明一实施例的用于霍尔电流传感器的诊断和自保护电路的进行全诊断的流程示意图。如图11所示，MCU的端口4实时读取ADC反馈值。在本发明设计的用于霍尔电流传感器的诊断和自保护电路中，配置了6个软件比较阈值，这些阈值是根据电路各电阻参数所计算的门限值。其中阈值1是短接到电源的阈值；阈值2是T2三极管开路情形下判断是否短接至地或者开路的阈值；阈值3是T2三极管闭合时判断电路开路的阈值；阈值4是T2三极管闭合时判断电路短路到地的阈值；阈值5、6是正常工作状态阈值。

如图9，保持T2三极管开路，如果ADC值在阈值5，6之间，则电路无错误情形；反之，如果ADC值大于阈值1，则电路发生短接电源错 误；反之，如果ADC值小于阈值2，则电路有可能发生了短接到地或者开路的错误。

为了进一步区分是何种错误模式，此时，闭合T2三极管，如果ADC值大于阈值3，则电路发生开路的错误；如果ADC值小于阈值4，则电路发生短接到地错误。

优选的，当MCU通过0022所述发现短接至电源的错误后。将以每6分钟为单位来反复确认短接电源错误是否仍然存在。如果每次诊断错误存在，则计数器加1；反之，则计数器减1。当计数器达到阈值10。则MCU确认短接至电源的错误已至少持续了1小时。MCU可以控制T1管关闭，以保护电路。

由此可知，本发明提供的用于霍尔电流传感器的诊断和自保护电路，整体结构设计简单，具有自适应调整限流的保护功能，同时能实现对短接和短路位置的准确诊断。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于霍尔电流传感器的诊断和自保护电路，其特征在于，包括：

微控制器(MCU)，其包括端口(1-4)，用于接收并处理各端口输入的电信号，并输出相应的处理结果；

电路保护模块(2)，其分别连接霍尔电流传感器的输出端和MCU的端口(1)；

信号处理模块(1)，其分别连接电路保护模块(2)的输出端和MCU的端口(3)，用于将霍尔电流传感器输出的电流信号转换为MCU可识别的电压信号；

电路诊断模块(3)，其分别连接电路保护模块(2)的输出端和MCU的端口(2)和端口(4)。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路保护模块(2)包括：

过流过压保护电路单元(21)，包括二极管(D1)和三极管(T1)和电容(C1)，其中三极管(T1)集电极端连接(C1)第一端和霍尔电流传感器的输出端，并且三极管(T1)的发射极连接至采样电阻(R_s)；

自适应调整电路单元(22)，包括电阻(R1)和电阻(R2)，其连接在三极管(T1)的基极端，以调整三极管(T1)的静态工作点使其工作在饱和区。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，其中，所述电阻(R1)、电阻(R2)与三极管(T1)的交汇连接点共同连接至MCU的端口(1)。

4.根据权利要求1-3所述任一电路，其特征在于，所述电阻(R1)为正温度系数的热敏电阻，所述电阻(R2)为负温度系数的热敏电阻。

5.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述信号处理模块(1)包括：

信号转换电路单元(11)，包括采样电阻(R_s)，其第一端为接地端并且第二端连接电路保护模块(2)中三极管(T1)的发射极；

信号比较电路单元(12)，包括电压比较器(IC1)，其正极输入端通过电阻(R4)和电容(C2)组成的RC滤波电路连接采样电阻(R_s)的第二端，负极输入端连接至电阻(R5)和电阻(R6)组成的电阻桥与反馈电阻(R7)的交汇点，并且输出端连接MCU的端口(3)。

6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述信号处理模块(1)还包括：

阻容电路单元(RC)，包括电阻(R4)和电容(C2)，其第一端连接采样电阻(R_s)的第二端，并且其第二端连接电压比较器(IC1)的正极输入端；

阈值电路单元，包括电阻(R5)和电阻(R6)，其第一端连接电源电压(VCC)，并且其第二端连接电压比较器(IC1)的负极输入端；

比较器负反馈电路(IC1)，包括电阻(R7)，其第一端连接在电阻(R5)和电阻(R6)之间，并且其第二端连接电压比较器(IC1)的输出端；

信号上拉电路单元，包括电阻(R8)，其第一端连接在电压比较器(IC1)的输出端和MCU的端口(3)之间。

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路诊断模块(3)包括：

低通滤波电路单元(31)，包括电阻(R9)和电容(C9)，其第一端连接采样电阻(R_s)的第二端，并且其第二端连接MCU的端口(4)，MCU端口(4)作为MCU的ADC输入端口用以实现短接到电源情况的诊断；

诊断控制电路单元(32)，包括三极管(T2)和电阻(R3)，其第一端连接在电阻(R9)和(R4)之间，并且其第二端连接MCU的端口(2)。