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作者： Wade Bussing 和 Robert Bate
Allegro MicroSystems, LLC 

摘要

本應用注釋介紹了將 Allegro MicroSystems 的 ALS31300 3D 線性霍爾效應傳感器集成電路 (IC) 用于 3D 線性感應和 2D 角度感應應用。詳細的示例包括將寄存器內容轉換為高斯度量以進行線性感測，并組合來自兩個軸的數據以計算旋轉角度感測的角度。其他章節通過 I²C 接口、應用程序示意圖，以及關聯的 Arduino 示例代碼說明讀取和寫入 ALS31300 寄存器的流程。請見附件 A 了解所有源代碼，包括 Arduino .ino 草圖文件。Arduino .ino 草圖文件還在 Allegro 軟件門戶上提供。

簡介

ALS31300 3D 線性霍爾效應傳感器 IC 為用戶提供針對非接觸式線性和角度位置傳感的準確、低成本的解決方案。通過 I²C 接口，ALS31300 在單一總線上提供來自多個傳感器的角度和線性信息（見圖 1）。

本應用說明中列出的例子利用 “Teensy” 3.2 微控制器 (https://www.pjrc.com/teensy/teensy31.html) 和 Arduino (https://www.arduino.cc/) 軟件環境。雖然本文件側重于利用 Teensy 3.2 的實施，但操作方法和示例代碼可直接用于其他 Arduino 開發板。

I²C 概覽

I²C 總線是同步的雙線串行通信協議，提供兩到多個設備之間的全雙工接口。總線指定兩種邏輯信號：

1. 主設備的串行時鐘線 (SCL) 輸出。

2. 主設備或從設備的串行數據線 (SDA) 輸出。

 圖 1 中顯示的區塊圖展示了 I²C 總線拓撲結構。

數據傳輸

數據在 I²C 上的傳輸包含以下步驟。

1. 開始條件：由 SDA 線的下降沿定義，在 SCL 較高時由主設備發起。

2. 地址循環：7 位從地址，加一個說明寫 (0) 或讀 (1) 的位，然后是一個應答位。

3. 數據循環：讀取或寫入 8 位數據，然后是一個應答位。這個循環可以針對多字節數據傳輸而重復。寫的第一個數據字節可能是寄存器地址。請見以下部分了解更多信息。

4. 停止條件：由 SDA 線的上升沿定義，在 SCL 高電平時發起。

除了指示開始或停止條件之外，SDA 必須在時鐘信號高電平時保持穩定。SDA 只能在 SCL 低電平時改變狀態。開始或停止條件可以在數據傳輸的任何時候發生。ALS31300 將始終通過重設數據傳輸序列響應讀或寫請求。

時鐘信號 SCL 由主設備生成，而 SDA 線起到輸入或開漏輸出的作用，具體視數據傳輸的方向而定。圖 2 所示的時序圖說明了 I2C 總線的時序。ALS31300 數據表提供這些名稱的信號參考和定義。

I²C 總線速度

常見的 I²C 總線速度是標準模式 100 kbps，低速模式 10 kbps，但也允許使用其他較低的時鐘頻率。I²C 協議的近期修訂版本可以裝載
更多節點，以更高速度運轉，包括快速模式 400 kbps 和超快模式 (Fm+) 1 Mbps，而這些速度都受到 ALS31300 支持。請注意，規格說明書還列出了 ALS31300 不支持的高速模式 3.4 Mbps。

使用 ALS31300 實施 I²C

ALS31300 僅作為 I²C 從設備運行，因此不能在 I²C 總線上發起任何事務。

ALS31300 將始終通過重設數據傳輸序列響應讀或寫請求。讀/寫位狀態設為低 (0) 則表示寫循環，高 (1) 則表示讀循環。主設備監測應答位，以確認從設備 (ALS31300) 響應主設備發送的地址字節。ALS31300 將 7 位從地址解讀為有效時，將通過在第九個時鐘循環拉低 SDA 來應答。主設備請求數據寫入時，ALS31300 在時鐘循環期間拉低 SDA，然后通過一個數據字節表示數據已經成功接收。發送地址字節或數據字節后，主設備必須在第九次時鐘循環之前釋放 SDA 線，允許握手過程發生。

ALS31300 的默認從地址是 110xxxx，四個 LSB 位通過對地址引腳 ADR0 和 ADR1 應用不同電壓而設置。在本演示中，兩個地址引腳都設為接地，如圖 11 所示。如需了解選擇其他 I²C 從地址的信息，請參閱 ALS31300 數據表。兩個地址引腳都接地時，默認 I²C 從地址為 96。

寫循環概覽

ALS31300 上訪問寄存器的寫循環如下文所示。

1. 主設備發起開始條件

2. 主設備發送 7 位從地址和寫位 (1)

3. 主設備等待 ALS31300 的 ACK

4. 主設備發送 8 位寄存器地址

5. 主設備等待 ALS31300 的 ACK

6. 主設備發送 31:24 位數據

7. 主設備等待 ALS31300 的 ACK

8. 主設備發送 23:16 位數據

9. 主設備等待 ALS31300 的 ACK

10. 主設備發送 15:8 位數據

11. 主設備等待 ALS31300 的 ACK

12. 主設備發送 7:0 位數據

13. 主設備等待 ALS31300 的 ACK

14. 主設備發起停止條件

I²C 寫序列在下文圖 3 的時序圖中進一步說明。

客戶寫入權限

在 ALS31300 中寫入任何易失性寄存器或 EEPROM 之前，必須向設備發送存取代碼。如果未啟用客戶存取模式，則不允許對設備寫入。這一規則的唯一例外是 SLEEP 位，其可以隨意寫入，無視存取模式。此外，任何寄存器或 EEPROM 位置都可以隨時讀取，無視存取模式。

如需進入客戶存取模式，必須通過 I²C 接口發送存取命令。該命令包含連續的寫入操作，以及地址和數據值，如表 1 所示。代碼輸入的時間無限制。進入客戶存取模式后，必須反復開關設備電源才能更改存取模式。

表 1：客戶存取代碼

讀循環概覽

ALS31300 上訪問寄存器的讀取循環如下文所示。

1. 主設備發起開始條件

2. 主設備發送 7 位從地址和寫位 (1)

3. 主設備等待 ALS31300 的 ACK

4. 主設備發送 8 位寄存器地址

5. 主設備等待 ALS31300 的 ACK

6. 發起開始條件。這次稱為重啟條件

7. 主設備發送 7 位從地址和讀位 (0)

8. 主設備等待 ALS31300 的 ACK

9. 主設備接收 31:24 位數據

10. 主設備發送 ACK 到 ALS31300

11. 主設備接收 23:16 位數據

12. 主設備發送 ACK 到 ALS31300

13.  主設備接收 15:8 位數據

14. 主設備發送 ACK 到 ALS31300

15. 主設備接收 7:0 位數據

16. 主設備發送 NACK 到 ALS31300

17.  主設備發起停止條件

I²C 讀序列在下文圖 4 的時序圖中進一步說明。

圖 4 中的時序圖顯示傳輸單個寄存器位置的整個內容（位 31:0）。另外，I²C 主設備還可以選擇用 ACK 替換 NACK，這將允許讀序列繼續。這種情況將導致從以下寄存器（地址 + 1）傳輸內容（位 31:24）。然后，主設備可以繼續應答或發布非應答（NACK）或在任何字節之后停止，以停止接收數據。

請注意，讀取僅需要初始寄存器位置，因此可更快進行數據檢索。然而，在使用單個讀取命令時，這回將數據檢索限制于序列寄存器。主設備提供非應答位和停止位時，ALS31300 停止發送數據。如果要讀取非序列寄存器，則必須發送單獨的讀取命令。

針對 X、Y、Z 和溫度數據的 I²C 回讀模式

ALS31300 I²C 控制器有若干模式，可方便地反復輪詢 X、Y、Z 和溫度數據。這些選項包括單一模式、快速循環模式和完整循環模式。

單一模式

向寄存器發出的單個寫或讀命令——這是默認模式，最適合設置字段和讀取靜態寄存器。如有需要，這個模式可以被用于以典型的串行方式讀取 X、Y、Z 和溫度數據，但如需快速檢索數據，建議使用快速循環模式或完整循環模式。

快速循環模式

快速循環可持續讀取 X、Y、Z 和溫度數據，但限于 X、Y、Z 的前 8 位和溫度的前 6 位。這個模式是犧牲截斷分辨率而從 IC 高效讀取數據的模式。圖 5 的流程圖說明了快速循環模式。

完整循環模式

完整循環模式可持續讀取 12 位全分辨率 X、Y、Z 和溫度數據。如用戶需要以更快的速度讀取全分辨率的 X、Y、Z 和溫度數據，則建議使用這個模式。圖 6 的流程圖說明了完整循環模式。

表 2 進一步說明了循環模式。

表 2：ALS31300 循環讀取模式

如需設置讀取循環模式，按照表 2 將地址 0x27 的 3:2 位設為所需代碼。

磁場強度寄存器

磁場強度寄存器包含與 ALS31300 讀取的三個軸測得的磁場成比例的數據。X、Y 和 Z 磁力數據的寄存器地址和位字段如表 3 所描述。X、Y 和 Z 軸的方向在圖 7 中定義。

每個軸的 MSB 和 LSB 必須連接，以得出完整的 12 位磁場數據。參考附錄 A，了解用于輪詢并從 ALS31300 關聯磁數據的各種技術的示例代碼。

表 3：磁場強度寄存器

溫度傳感器寄存器

表 5 說明了 ALS31300 的溫度寄存器。

表 4：溫度寄存器

計算測得字段

在這個例子中，ALS31300 的全量程為 500 高斯，靈敏度為 4 LSB/高斯。

首先對 MSB 和 LSB 寄存器進行完整的 8 字節讀取，構成 12 位的符號二進制補碼值。結合寄存器時，所有數據必須在一次 8 字節讀取中讀取，否則結果將為兩個獨立樣本的組合。12 位數據按照表 5 合并。

表 5：MSB 和 LSB 合并數據

 假設完整的 8 字節讀取對單個軸返回以下二進制數據：

MSB = 1100_0000
LSB = 0110.

合并數據 {MSB; LSB} = 1100_0000_0110。等價十進制數 = 1018，除以設備敏感性（4 LSB/高斯）即可轉換為高斯值。

高斯 = –1018 LSB ÷ 4 LSB?G = –254 高斯

使用兩個軸計算角度

外加磁場的角度可以使用 ALS31300 兩個軸的磁性數據和四象限反正切函數計算。在這個例子中，一個盤式磁鐵經過徑向磁化。圖 8 中的圖紙說明冰球形磁鐵及其磁極相對于 ALS31300 的 X、Y 和 Z 軸的參考方向。在左邊的方向中，磁鐵圍繞 Z 軸旋轉，如黑色箭頭所示，同時通過 X 和 Y 感測磁力。在右邊的方向中，磁鐵圍繞 Y 軸旋轉，同時利用 X 和 Z 信道感測。第三個方向可以用于圍繞 X 軸旋轉、利用 Y 和 Z 感測的磁鐵。

標準反正切函數，即 tan()^-1，返回從 –90° 到 90° 的角度值。對于這個應用，需要使用四象限反正切函數返回 –180° 到 180° 的角度。此函數還可避免除以 0 的問題。表 6 列出了四象限反正切函數。

表 6：四象限反正切函數調用

請參閱附件 A 了解計算 XY、XZ 和 YZ 軸組合角度的所有 Arduino 源代碼。

轉換過程可以概括為 3 個主要步驟，如下所列。圖 9 的范圍圖亦有指明。為簡化例子，使用“單一模式“（表2）。

1. 主設備發起讀請求。

2.  從設備傳輸 8 字節數據。

3. 磁矢量數據轉換為角度值。

讀請求（方框 1）包含一次寫入，說明將被讀取的寄存器。設備返回（方框 2）8 字節數據，（X、Y、Z 的 8 MSB，溫度的 6 MBS，然后是 X、Y、Z 的 4 LSB 和溫度的 6 MSB）。

角度計算時間

使用 ALS31300 完成角度計算的總時間將視具體應用而變化，但主要由用戶的微控制器的處理能力和速度決定。其他因素包括 ALS31300 的循環模式（表 2）和 I²C 接口的通信頻率。這個文件中的定時例子假設 Teensy 3.2 微控制器以 72 MHz 的頻率運行，且 I²C 通信頻率配置為 1 MHz（快速模式 +）。請注意，Teensy 3.2 快速模式 + I²C 模式的運行頻率約為 720 kHz。

圖 9 的例子簡單地說明了從 ALS31300 讀取數據的情況，但不是最快的情況。通過在 ALS31300 上使用循環模式，在第一次請求后，即可消除發起讀取（圖 9 中的方框 1）的內部整理自檢。

圖 10 中的范圍圖顯示 ALS31300 設置為完整循環模式時的角度轉換流。方框 1、2 和 3 仍然與圖 9 的相同步驟對應。

請注意，方框 1 僅出現了一次，但略長于圖 9 中的無循環模式。在完整循環模式中，讀請求包含一次寫入，說明將被讀取的寄存器，然后包含一次讀/寫，設置完整循環模式。請參閱附件 A 的完整源代碼，了解如何實施無循環、快速循環和完整循環讀取模式。

方框 3 中的重復暫停顯示 Teensy 3.2 微控制器運行 atan2f(x,y) 函數所花費的時間。頻率為 72 MHz 的 Teensy 3.2 上運行 atan2f(x,y) 函數的平均時長是 30 μs，而 8 數據字節的傳輸時間是 120 μs。使用 Teensy 3.2 和 ALS31300 的完整循環模式，每 150 μs 就可以計算一個新的角度值。

應用示意圖

指圖 11 中展示為 ALS31300 使用的應用示意圖的圖片。

Teensy 3.2 微控制器的支持電路如圖 12 中的示意圖所示。

指圖 11 和圖 12 中標記為 “SDA” 和 “SCL” 的網，說明兩個示意圖之間的連接。請注意，Teensy 微控制器上的 SDA 和 SCL 管腳位置由用戶選擇，但必須在軟件中聲明。指附件 A 中聲明 SDA 和 SCL 管腳的源代碼。

結論

ALS31300 是高度通用的微功率 3D 霍爾效應傳感器 IC。該 IC 可用于多軸線性位置、或角度位置感測應用用，可配置為在高分辨率（12 位）或中等分辨率（8 位）模式下運轉。I²C 總線可配置性高，可以在 1 Mbps 到 < 10 kbps 的總線速度下運轉，上拉電壓范圍為 1.8 到 3.3 V。該 IC 還包含可以通過 I²C 接口讀取的溫度傳感器。

與本應用說明一起使用的 Arduino .ino 草圖文件在 Allegro 軟件門戶上提供。注冊“ALS31300”設備以查看源代碼。

附件 A：ALS31300 和 Teensy 3.2 的完整 Arduino 源代碼

下面的片段顯示與本應用一同使用的完整 Arduino 源代碼。示例函數包括 I²C 初始化，在單一、快速和完整循環模式下從 ALS31300 讀取，使用 I²C 寫入數據到 ALS31300，以及使用 ALS31300 的磁力數據計算角度和高斯值。

查看源代碼例子

完整的 Arduino 草圖文件在 Allegro Microsystem 的軟件門戶 ALS31300 設備選項卡下提供。如需注冊 Allegro 的軟件門戶，查看 ALS31300 源代碼，請訪問 https://registration.allegromicro.com/login。

附件 B：TEENSY 管腳說明書

下面的管腳說明書與 Teensy 3.2 一起發貨。PJRS 還在以下鏈接提供：https://www.pjrc.com/teensy/card7a_rev1.pdf。

本文中所含的信息不構成 Allegro 就本文主題而對客戶做出的任何表示、擔保、確保、保證或誘導。本文所提供的信息并不保證基于此信息的流程的可靠性，亦不保證 Allegro 已探究了所有可能出現的故障模式。客戶負責對最終產品進行充分的驗證測試，以確保該產品是可靠的，并且符合所有設計要求。