磁电阻应用于传感器

电子技术的应用日渐广泛，对汽车的发展具有决定性的改善作用。未来的进一步发展，也会有很大程度是由创新性电子组件驱动。传感器技术可用来检测车辆及其周遭的环境条件，因此具有特殊意义。

有多种传感器系统可用于此种目的，例如测量加速度、温度或转矩等。磁场测量传感器在汽车领域尤其常见，主要是用于机械变量的非接触式检测。通常这种传感器透过霍尔组件，或者依据异向磁电阻（AMR）效应来执行。相较于霍尔效应的解决方案，AMR 传感器有许多优点，例如抖动较少、灵敏度较高。但在提升准确性或降低整体系统成本方面，二者不分高下。除了在电子罗盘中利用磁电阻传感器测量地球磁场之外，在借助磁场指示机械系统的运动和位置时，也可使用磁电阻传感器确定角度和速度；防滑系统、引擎和传送控制都需要这种数据。产生磁场的永久磁铁的机械设计和选择，对影响测量数据的获取影响深远。因此，在执行整个系统之前使用仿真技术进行深入分析便非常重要，以确保达到目标功能并降低成本。因此，在超前开发过程中建立系统模型与后续产品的开发，此种技术对于解决设计过程中产生的类似问题，便能发挥重要作用。下文将探讨新型速度传感器的整体系统建构和仿真。

讯号检测

现代传感器系统主要由两个组件组成 ── 基本传感器和讯号处理专用集成电路（ASIC），如图一所示。

《图一 AMR 传感器系统包含两个封装示意图 》

现已证明，后来由 Lord Klevin 于1857年发现的异向磁电阻效应，特别适用于检测磁场，首先考虑通具多种扇区架构的铁磁材料。这些称之为韦斯扇区的架构（Weiss domains），其内部磁化的方向彼此不同。如果将这种材料平铺为一个薄层，那么磁化向量便处于材料层的平面方向，也可较精确地假设只存在一个扇区。当这种组件暴露于外部磁场中时，后者会改变内部磁化向量的方向。如果同时一股电流透过该组件，就会产生电阻，如图二所示。

《图二 异向磁电阻效应》

强磁性铁镍合金这取决于电流和磁化之间的角度。当电流和磁化方向彼此成直角时，电阻最小，当二者平行时，电阻最大。电阻变化的大小取决于材料。铁磁性材料的性质也会决定对温度的倚赖性。电阻最大变化为2.2％，且对温度变化响应良好的最佳合金是81％的镍和19％的铁所组成的合金，恩智浦半导体（NXP）所有传感器系统中的基本传感器，都采用这种强磁铁镍合金。同时，在惠斯登电桥回路中单独配置几个AMR电阻，可加强输出讯号并改善温度响应特性。

《图三 芯片上的 AMR 组件构造》

芯片上的 AMR 组件构造忽略外部噪声场并考虑桥电路时，输出讯号获得零值。然而，如果传感器头处于齿边缘前面，则磁输入讯号达到极值。齿／空隙或空隙／齿切换类型的函数结果，会与磁输入讯号正弦曲线的最小值或最大值非常接近。

讯号处理

为了确定速度，将磁输入讯号编码处理为电脉波序列，而且通常透过 7／14 mA 协议传送。在最简单的情况下，可使用比较器产生脉波序列，通常会向比较器电路添加磁滞以消除低噪声的影响。

然而，这种施密特触发器（Schmitt trigger）在噪声水平较高的条件下，不能确保其功能性。例如，传感器头和编码器轮之间空隙若出现显著波动，将会导致磁输入讯号振幅发生类似的波动。如果振幅变得很小，甚至不再超过或低估磁滞临界值时，则不管编码器轮的位置如何，输出讯号都能保持其最后状态。在感测ABS系统中的轮速时，传感器和编码器轮之间的距离可能会出现这种变化。当负载出现变化、例如突然转向动作时，横向作用于轮上的离心力，会在轮轴上产生弯曲力矩。这将改变连接传感器相关轴的编码器轮，使其反过来与轮悬架相连接。

磁位移也会影响系统的正常运转。例如，噪声场可使实际测量讯号加强或减弱，致使只有施密特触发器的一个临界值被超过或低估，或者一个也没有被超过或低估。然而，位移不仅是由外部引起的。被动轮极高的速度可使轮中产生涡流，而这又会产生磁噪声。所产生的位移便会影响操作的可靠性。

为消除此噪声对输出讯号的影响，另一封装中装入了讯号处理专用集成电路（ASIC），后者也包含一个线路驱动器，以便为讯号处理和高电压界面提供电源电压，如图一所示。图四 所示则为讯号处理架构。用于排除故障的中心组件为包括可调式放大器、偏移抵消电路和智能比较器（Smart comparator）。

《图四 现代速度传感器的讯号处理原理》

根据传感器和编码器轮之间的距离，可调式放大器可以与讯号层级相配合。对于偏移抵消电路，有一种与高通滤波器不同的控制系统，可消除偏移，同时将系统频率保持为 0 Hz。要不然，就不可能检测到停止不动的编码器轮。智能比较器的临界值是可变且可设置的，使磁滞处于讯号振幅的20％和45％之间，这可确保充分减低噪声，而且振幅突降到50％，也不会影响系统的正常运转。仿真前端的个别组件控制，则透过数字界面执行。所述系统均利用仿真技术开发和验证。以下将概略介绍系统开发，同时叙述如何使用模型来改进设计。

系统仿真

要开发传感器系统，首先必须对预期的磁输入讯号有全面的了解，亦即要先了解编码器轮和传感器头上永久磁铁的标准规格、预期尺寸以及公差。透过ANSYS方法进行FEM仿真便可确定磁场。这里就有对编码器轮、传感器组件和磁体进行建构的问题，如图五所示。

《图五 网目 ── 磁场有限组件仿真的起点》

然后便可根据传感器组件和编码器轮之间的距离，确定与其呈函数关系的磁场强度。图六是传感器桥上的磁输入讯号与距离呈函数关系的3D示意图。很容易看出输入讯号呈正弦曲线，讯号振幅随距离增加而明显减小。除了距离之外，位置偏离也会导致振幅减小。例如，如果传感器头不在编码器轮前面的中心位置，那么讯号振幅也会减小。根据FEM仿真方法，这样也可将机械规范转化成预期磁变量。与气隙变化不同，倾斜会导致偏移，这同样会影响系统的正常运转。FEM仿真也可以预估其造成的影响，如图七所示，而且结果可直接转化为可接受的位置公差。

《图六 与传感器头和编码器轮间距离呈函数关系的磁输入讯号仿真》

《图七 为确定可接受的位置公差而进行的磁场计算》

确定磁场之后是传感器系统仿真。AMR组件的电阻变化是异向磁电阻效应的直接结果。这样，磁场仿真的结果，会导致代表讯号处理中输入讯号的电阻发生变化。对仿真前端进行建构时，可采用Simulink，这种行为模型是概念设计的产物，代表着产品开发的起点。每个Simulink会对应一个仿真讯号处理组件，例如放大器或过滤器。但是，尚未考虑仿真组件的控制部分，则是由数字系统执行。HDL设计则仿真透过数字方法执行的功能，而且在完成产品开发之后就会成形。因此，整体系统仿真是Simulink对仿真组件的行为模型以及ModelSim对HDL设计的共同仿真，如图八所示。

《图八 共同仿真前端和数字区块》

这可透过仿真从概念阶段顺利过渡到HDL设计及后续阶段。在共同仿真中，可用ModelSim中的Verilog代码逐渐代替Simulink参考模型，从而可逐项验证HDL设计。这个过程可持续进行，直到在Verilog中执行整个数字部分，而仿真系统部件仍保持为 Simulink模型，此工具组合也已证明对 IC 评估同样有用。自始至终使用这种工具可以更容易理解IC行为，并可创建用来分析和解释任何错误的框架。这些工具的主要好处在于能够更快速、更准确地回复客户的查询，以及更加了解与环境条件相关的传感器功能。

结果

透过此项建构，可以分析与输入讯号呈函数关系的系统行为。图九中所示的第一张图表，显示透过改变传感器和编码器轮之间的距离所产生的磁输入讯号。此讯号是有限组件仿真结果，之后AMR效应可将此讯号转化成传感器桥的电输出讯号。中间的图表则是仿真讯号处理的结果，最下面一张图表则显示输出讯号。此器件使用A714／28mA协议。这种协议可用来传送额外的讯息，例如感测旋转或气隙长度；除了这些结果之外，此协议也可检查数字控制的工作情况。图十显示的是ModelSim中的讯号图象实例。

《图九 仿真结果︰电输出讯号vs磁输入讯号》 - BigPic:736x576

《图十 数字系统组件的仿真》

透过MATLAB进行仿真控制，并结合其他仿真器，可以创造更多选择，例如首先可使仿真自动化。然后可以在MATLAB中进行讯号仿真使用大量算法。例如，对所需系统和讯号参数进行蒙特卡罗（Monte Carlo）仿真，随后进行自动化分析。透过FEM仿真器，例如NASYS，可以扩展所仿真的系统组件，甚至包括MR传感器头和相关编码器，从而将系统视域扩展到传感器周遭直接相关的区域。图十一所显示的是用于此目的整个工具链。

《图十一 完整的仿真链》

总结

完整的仿真链HDL设计之后，可对仿真部份进行数字控制仿真，最终整个系统执行全面仿真。建构已成为事先开发的一部分，并随着产品开发的过程不断改进，最后就会得到经过验证确认符合产品规范的设计，以及可用来解决后续问题的模型，以符合市场需求。

（作者均任职于NXP恩智浦半导体德国汉堡汽车电子创新中心Automotive Innovation Center）