本参考设计使用带有高速 10MHz SPI 的单个或多个等距放置的 3D 霍尔效应传感器 TMAG5170 演示了 N45 磁体目标的高精度、低延迟线性位置感应，其中 Z 轴和 X 轴磁场强度以及 CRC 数据在单个 32 位帧中传输，从而实现低延迟和增强的数据完整性。具有 3.3V I/O 的数字接口与 C2000™ MCU LaunchPad 兼容，可以使用 C2000™、Sitara 或其他 MCU 评估我们的 3D 霍尔效应感应技术。

• 具有集成式 ADC 和 SPI 接口的单芯片 3D 霍尔效应传感器可降低 BOM 成本和缩小 PCB 尺寸。
• 线性位置精度通常在 100mm 范围内实现 ±0.15mm，有助于实现更精确的线性电机传输系统。
• 具有可配置灵敏度 ±25mT 至 ±100mT 和 ±75mT 至 ±300mT 的 3D 霍尔效应传感器有助于优化测量范围和精度。
• 在 57.5μs 低延迟下高达 8kHz 的采样率和 10MHz SPI 可实现速度更高的位置控制。
• 专用 ALERT 引脚支持在多个 3D 霍尔效应传感器之间同时启动 X、Y、Z 轴转换。
• 3D 霍尔效应传感器诊断功能可帮助检测和报告系统级和器件级故障。

• 线性电机位置传感器
• 伺服驱动器位置传感器
• 位置传感器
• 接近开关

使用霍尔效应传感器的线性位置感应在许多应用中使用，例如线性伺服驱动器、工厂自动化中的接近开关和线性电机运输系统。根据应用，具有霍尔效应传感器的传感器感测头在具有多个磁极的静态磁条上移动，或者磁性目标在静态霍尔效应传感器或霍尔效应传感器阵列上方移动。

线性电机传输系统使多个磁动子进行一维甚至二维运动，速度高达 10m/s，线性位置精度和可重复性低至 0.01mm。磁传感器上的磁场范围取决于动子的感应磁体以及动子磁体与静态多位置传感器印刷电路板 (PCB) 之间的距离。

图 1-1 展示了使用等间距精密线性 3D 霍尔效应传感器进行线性位置感应的感应原理。每个 3D 霍尔效应传感器之间的距离是系统特定的，取决于动子的磁场强度、磁体直径、空气间隙和所需的位置精度。相邻 3D 霍尔效应传感器之间的典型距离是系统特定的，可以在 10mm 到 50mm 的范围内。

图 1-1 使用多个 3D 霍尔效应传感器的 PCB 交叉部分

本参考设计展示了采用四个位移为 25mm 的 3D 霍尔效应传感器 TMAG5170 的 N45 磁体目标的高精度低延迟线性位置感应。一个常见的转换启动信号支持同时测量四个 3D 霍尔效应传感器。使用 TMAG5170 测量的 Z 轴、X 轴和 CRC 数据通过 10MHz SPI 以单个 32 位帧的形式传输，从而实现低延迟和增强的数据完整性。可以使用相应 3D 霍尔效应传感器的芯片选择通过 SPI 按顺序读取数据，也可以通过 MCU 并行读取全部四个传感器。具有 3.3V I/O 的数字接口与 C2000™ MCU LaunchPad 兼容，可以使用 C2000™、Sitara 或其他 MCU 评估我们的 3D 霍尔效应感应技术。

表 1-1 提供了本参考设计的主要规格。本参考设计可直接连接到 C2000 MCU LaunchPad。

图 2-1 显示了本参考设计的方框图。一个专用的转换启动引脚 (ALERT) 支持由主机 MCU 对所有 3D 霍尔传感器进行同步采样，并实现与功率级和段控制算法相关的位置采样时间的低抖动同步。

图 2-1 系统方框图

线性电机传输系统使多个磁动子进行一维甚至二维运动，速度高达 10m/s，线性位置精度和可重复性低至 0.01mm。磁传感器上的磁场范围取决于动子的感应磁体以及动子磁体与静态多位置传感器印刷电路板 (PCB) 之间的距离。通常，磁场范围为 50mT 到 300mT。根据空间要求，具有高度集成的 3D 霍尔效应传感器片上系统 (SoC) 的小封装是一个优势。传感器的环境工作温度超过 85°C 时（例如 125°C），可实现更高的功率密度，同时在这些极端条件下仍能准确捕获传感器数据。由于需要同时检测某段内多个动子的位置，同时采样和低延迟位置测量至关重要。与模拟输出 SoC 相比，具有低延迟数字接口的 3D 霍尔效应传感器能够更好地抵抗噪声。具有数字接口的 SoC 还具有其他优势，即可以诊断和监测 SoC，例如内核温度、霍尔效应元件或电源电压诊断，从而提高系统可靠性。

由于 Z 轴和 X 轴的最大场强可能不相同，因此允许对每个磁场轴进行单独范围编程和优化的 3D 霍尔效应传感器将有助于支持更高的位置分辨率和精度。表 2-1 显示了线性电机传输系统的示例系统要求以及对 3D 霍尔效应传感器规格的影响。

TMAG5170 是高精度线性 3D 霍尔效应传感器，适用于各种工业和个人电子产品应用。高集成度可在各种位置感测系统中提供灵活性和准确性。此器件在 X、Y 和 Z 轴具有 3 个独立的霍尔效应传感器。精密信号链和集成式 12 位 ADC 可实现高精度和低漂移磁场测量，同时支持高达 20ksps 的采样率。片上温度传感器数据可用于系统级漂移补偿。TMAG5170 的众多特性包括：

• 独立可选 X、Y 和 Z 磁性范围：
  • TMAG5170A1：±25，±50，±100mT
  • TMAG5170A2：±75，±150，±300mT
• 专用 ALERT 引脚支持在多个 3D 霍尔效应传感器之间同时启动 X、Y、Z 轴转换。
• 伪同步采样模式
• 10MHz 串行外设接口 (SPI)，该接口具有循环冗余校验 (CRC)
• 2.3V 至 5.5V 的电源电压范围
• 工作温度范围：-40°C 至 +150°C
• 过采样可通过取 2、4、8、16 或 32 次转换的平均值来降低输出噪声

图 2-2 TMAG5170 功能方框图

由于与 TMAG5170 3D 霍尔效应传感器高度集成，因此原理图相当简单。图 3-1 显示了原理图。

图 3-1 四通道 TMAG5170 原理图

以下说明以 U7 TMAG5170 为例，并且如果未另作说明，则适用于其余的三个 TMAG5170。

在靠近 VCC 和 GND 引脚的位置添加了一个 100nF 去耦电容器 C1。可额外添加一个可选的 1μF 电容器 C2 以防 3.3V 电源噪声更大，但未包含在本设计中。

TMAG5170 TEST 引脚（在 Altium 原理图符号中名为 VCCIO）需要连接到 GND。TMAG5170 nALERT 引脚是输入，用于同时触发全部四个 TMAG5170 模数转换器的启动。nALERT 引脚以菊花链形式从接头 J3-18 接出，从第一个 TMAG5170 (U7) 开始，通过 U10 和 U11 连接到最后一个 TMAG5170 (U8)，从而实现更好的信号完整性。在接头 J3-18 处添加了串联线路端接电阻器选项 R5，并在 U8 处添加了带有 R9 和 C8（默认未组装）的远端并联交流端接选项，以进行测试和验证。SPI 信号 SCLK 和 SDO (MOSI) 也使用菊花链形式进行布线，使用串联线路端接电阻器和远端并联交流端接。对于 SPI 信号 SDI (MISO)，四个 TMAG5170 的每个 SDO (MISO) 输出都有一个 33Ω 端接电阻器，例如 U7 的 R1。这些信号以星型拓扑进行路由，并且从每个 TMAG5170 的长度匹配到一个结点，在结点处，这些信号会进行组合并路由到接头 J3-1。从相应的接头 J3 路由的每个 TMAG5170 的 SPI 芯片选择信号 nC1、nC2、nC3 和 nC4，每个信号都有一个串联线路端接电阻器选项，例如 U7 的 R3。对于 SPI 信号完整性测试，添加了 GND 测试点 TP1 到 TP4。

有关 SPI 信号布局指南，请参阅第 5 章。

在最后的 PCB 上未组装测试点 TP1 至 TP5，以免干扰 TMAG5170 磁场测量。添加了一个绿色的 LED D1 来指示存在 3.3V 电源。

接头 J2-1 处的 3.3V 输入电源（容差为 +/10%）连接至全部四个 TMAG5170。为了实现附加的测试和验证选项，添加了 0Ω 电阻器 R4。如有需要，可以使用铁氧体磁珠取代 R4 以改善射频噪声抑制，或者移除 R4 以从 C2000 MCU LaunchPad 断开 3.3V 电源，并通过测试点 TP5 使用与工作台电源分离的独立 3.3V 电源。在本参考设计中，使用的是 C2000 MCU LaunchPad 提供的 3.3V 电源。

为了验证本参考设计，我们使用 TMS320F280049C LaunchPad 以及 TMAG5170 头文件、TMAG5170-CODE-EXAMPLE 和适用于 C2000 MCU 的 C2000WARE 软件开发套件开发了一款 TI 内部测试软件。