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센서 자료실
작성자 leeky        
작성일 2006/04/06
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ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 612   
  지자기 방위계 모듈 CMPS03

이 부품은 교정한 다음에는 실제 방향의 3~4도 이내로 정밀한 방위계의 방향을 제공하는 자기(manetic) 센서를 사용한다.
이것은 분해능이 0.1도 이므로 초기 주행으로 부터 빗나간 합계가 매우 적은 검출에 많이 사용될 수도 있다.
이 부품은 거의 모든 제어장치를 연결하기 위한 PWM과 I2C 출력 모두를 제공한다.
.
품명 : CMPS03, 가격 : $43 (내부에는 PIC MPU와 KMZ51 자기센서를 2개를 사용하고 있다)
교정은 오직 1번의 마무리가 필요하다 - 교정 값은 PIC16F872 칩의 EEPROM 으로 저장된다.  
당신은 장치의 전원을 넣을 때 마다 재-교정할 필요가 없다.
장치는 우리들의 성향으로 우리들의 공장 안에서 이미 67도로 교정되었다.
.
만일 당신의 위치가 막혀 있다면, 당신은 재-교정 없이 모든 방위계를 점검(try)할 수 도 있다.
 
 
방위계 모듈을 원점으로 하면 0도가 읽어진다.
 
 
주의 사항
- CMPS01 센서의 윗면의 부품과 방위계는 금속판과 거리를 유지하고 -자석회피- 목적.
- 반드시 수평을 유지한다. (수평 그리고 지표면과 평형)
.
REV 3 소프트웨어 교정
- CPU 칩 위의 개정번호가 없는지 확인, 혹은 레지스터 0에서 개정 번호를 읽는다.
교정완료(CalDone) 출력핀(핀5)은 일반 작동시 High로 된다.
교정핀은 교정할 때 Low로 되며 4개의 방위가 측정되면 high로 복귀된다.
교정완료핀(CalDone)은 4개의 방향이 측정될 때 마다 high로 복귀된다.
방위계를 천천히 돌리는 것은 교정할 방위를 잃지 않토록 하고, 정밀한 교정을 위해 수평을 유지한다.
.
Rev7 소프트웨어 교정
- CMPS01의 CPU칩에 붙은 표시를 읽어서 개정번호를 알거나
- 레지스터0으로 부터 번호를 읽는다.
- CMPS03 모듈의 교정을 추가한다.
핀5(CalDone)와 레지스터 14(Calibration Done Flag)는 CMPS03의 Rev7에서는 사용하지 않습니다.  
방위계를 교정할 때 핀5와 레지스터 14는 연결할 수 없습니다.
추측하지 말고 자석 방위계로 확인하여, 어디가 공서남북인지 4개는 꼭 알아야 합니다.
.
I2C 원리는 I2C버스를 사용하여 교정을 합니다. 4개의 주요 방위인 동,서,남,북을 위해서
레지스터 15에 255를 써 넣기 합니다. 255는 자동적으로 내부를 지우고 한개의 방향으로 교정합니다.
방위계의 방향은 어떠한 방위로도 세트할 수 있습니다. 그러나 4개의 방향은 반드시 교정해야 합니다.
 
 
방위계 모듈은 24C02같은 EEPROM과 같은 I2C통신 프로토콜입니다.
처음엔 R/W핀을 Low로 하여, 0XC0에 시작비트를 보내고, 레지스터 번호를 읽어야 합니다.
이것은 R/W비트를 High로 하여(0XC1) 시작비트와 모듈의 주소가 반복적으로 따라갑니다.  
이제는 하나 혹은 2개의 바이트를 8비트 혹은 16비트 단위로 읽어야 합니다.
16비트 레지스터는 상위 바이트가 먼저입니다.
방위계는 16바이트의 레지스터를 가지고 있습니다. 몇개는 16비트 레지스터로 곱배기입니다.

 

레지스터 0은 소프트웨어 개정번호입니다. 레지스터 1은 0-255로 변환되어 넘어가는 값입니다.
이것은 2개의 바이트를 필요로 하는 0-360 범위의 응용을 위한 것입니다.
레지스터 2와 3(상위 바이트 우선)은 부호없는 정수로 0-3599로 10배의 분해능을 위해서 필요합니다.
이것은 0-359.9°를 제공합니다.
.
레지스터 4에서 11까지는 내부 시험용입니다. 그리고 레지스터 12와 13은 사용하지 않습니다.
레지스터 14는 정의되지 않았으며, I2C의 속도를 위해서 원하지 않는 것들은 읽지 마십시요.
레지스터 15는 방위계의 교정으로 사용됩니다. 완전한 교정안내는 다음과 같습니다.
.
I2C 인터페이스는 보드에서 어떠한 풀업저항도 가지고 있지 않습니다.
버스마스터는 십중팔구 어디에서도 주어지지 않았습니다. (마스터에서 풀업을 하라는 뜻)
그들은 SCL과 SDA의 2개를 필요로 합니다.
전체의 버스는 오직 하나이며, 모듈이 하나라는 것은 아닙니다.
.
400KHz로 작동시키려면 제안하는 값은 1.8K이고 1MHz로 사용하려면 1.2K나 1K이다.
방위계의 표준 클럭(SCL)의 속도는 100KHz이다.
그래도 클럭속도를 1MHz까지 올리려 한다면 주의할 점이 있다.
160KHz 이하로 CPU의 속도를 내리면 I2C 데이터는 읽기 속도를 얻을 수 없다.
50us의 짧은 지연은 레지스터 주소를 쓰기로 대치된다,  
순서적이 아니라도 어떤 곳에서도 지연은 필요없다,
이렇게 하기 위해서, 방위계 모듈은 1.3MHz SCL 클럭 속도로 시험되었다.
.
16C877을 위해서 HITECH PICC 컴파일러를 사용한 예가 있다.
일반적인 임베디드 언어를 쓰기위해 OOPic은 다음사항과 관계가 없다.
방위계 모듈은 항상 슬레이브로 작동한다. 마스터는 절대로 아니다.
.
핀7은 50Hz(low) 혹은 60Hz(high) 작동을 위한 선택용이다.
나는 1.5°근방의 출력이서 지터를 제거하려고 이 옵션을 추가하였다.
이유는 내 작업장이 50Hz 중심의 필드이기 때문이다.
0.2°이하로 줄이려면 주(상용) 주파수로 동기시켜 변환 해야 한다.
내부 변환 속도는 매 40mS (50Hz) 혹은 매 33.3mS (60Hz)이다.
.
60Hz 작동을 위해서 접속되지 않은 핀을 풀업할 수 있다.
PWM 혹은 I2C와 변환사이는 동기되지 않는다.
연속적인 변환에서 가장 최근의 내부 읽기로 모두 회복된다.
핀6은 방위계의 교정으로 사용된다. 교정입력(핀6)과 사용되지 않고 남은 핀은 기판에서 풀업된다.
 . 
CMPS01의 식별자 Rev7의 완전한 교정의 수속 안내는 다음과 같다.
핀5와 8은 연결하지 않습니다.
실지로 핀8은 프로세서 리셋이며 기판에서 풀업되어 있습니다.
기판에 장착한 후에 프로그램을 할 수 있다.
.
1. 방위계를 수평으로, 북쪽으로 하고, 레지스터 15에 255를 쓴다.
2. 방위계를 수평으로, 동쪽으로 하고, 레지스터 15에 255를 쓴다.
3. 방위계를 수평으로, 남쪽으로 하고, 레지스터 15에 255를 쓴다.
4. 방위계를 수평으로, 서쪽으로 하고, 레지스터 15에 255를 쓴다.
.
핀6의 용도는 방위계의 교정으로 사용된다.
교정입력(핀6)과 교정된 후에 연결되지 않은 핀은 기판에서 풀업저항을 가진다.
방위계의 교정을 위해, 4개 주방향인 동서남북에서 단순히 교정핀을 Low와 High를 반복한다.
이것을 위해서 핀6과 접지 사이에 간단히 누름스위치를 배선하여 OK이다.
방위계의 방향은 어떤 방향으로도 세트가 된다. 그러나 4개의 방위는 반드시 교정되어야 한다.
.
1. 방위계를 수평으로, 북쪽으로 하고, 스위치를 눌렀다가 놓는다.
2. 방위계를 수평으로, 동쪽으로 하고, 스위치를 눌렀다가 놓는다.
3. 방위계를 수평으로, 남쪽으로 하고, 스위치를 눌렀다가 놓는다.
4. 방위계를 수평으로, 서쪽으로 하고, 스위치를 눌렀다가 놓는다.
.
다음은 CMPS03에 사용한 방위센서의 IC자료입니다.
일반적인 자기장 센서들의 파일 SC17 이며,
아래에서 설명하는 필립스 반도체의  자기장 센서 반도체입니다,
· 작동 원리
· 필립스 자기저항 센서
· Flipping
· 반대 온도효과 Effect of temperature on behaviour
· 자기저항 센서를 사용
· 급진 사용자를 위한 장래의 정보
– - MR 효과
– - 직선 보성
– - 반전(Flipping)
– - 온도 보상

 

The KMZ range of magnetoresistive sensors is characterized
by high sensitivity in the detection of magnetic fields,
a wide operating temperature range,
a low and stable offset and low sensitivity to mechanical stress.
They therefore provide an excellent means of measuring both linear
and angular displacement under extreme environmental conditions,
because their very high sensitivity means that a fairly small movement
of actuating components in, for example,
cars or machinery (gear wheels, metal rods, cogs, cams, etc.)
can create measurable changes in magnetic field.
Other applications for magnetoresistive sensors include rotational speed measurement
and current measurement.
.
Examples where their properties can be put to good effect can be found in automotive applications,
such as wheel speed sensors for ABS and motor management systems
and position sensors for chassis position, throttle and pedal position measurement.
Other examples include instrumentation and control equipment,
which often require position sensors capable of detecting displacements
in the region of tenths of a millimetre (or even less), and in electronic ignition systems,
which must be able to determine the angular position of an internal combustion engine with great accuracy.
.
Finally, because of their high sensitivity, magnetoresistive sensors can measure very weak magnetic fields
and are thus ideal for application in electronic compasses, earth field correction and traffic detection.
If the KMZ sensors are to be used to maximum advantage, however,
it is important to have a clear understanding of their operating principles and characteristics,
and how their behaviour may be affected by external influences and by their magnetic history.
.
작동원리
Magnetoresistive (MR) sensors make use of the magnetoresistive effect, the property of
a current-carrying magnetic material to change its resistivity
in the presence of an external magnetic field
(the common units used for magnetic fields are given in Table 1).
.
표 1 자기의 공통적인 단위
1 kA/m = 0.00125 T = 1.25 mTesla (공기 중)
0.001 T = 1 mT = 10 Gauss (테슬라의 단위가 너무 크므로 mT를 사용한다)
.
그림 2에서 보여준 MR 센서의 기본 작동.
[img:km10a-fig2.jpg,align=,width=292,height=281,vspace=0,hspace=0,border=0]
.
Figure 2 shows a strip of ferromagnetic material, called permalloy (20% Fe, 80% Ni).
Assume that, when no external magnetic field is present,
the permalloy has an internal magnetization vector parallel to the current flow
(shown to flow through the permalloy from left to right).
If an external magnetic field H is applied,
parallel to the plane of the permalloy but perpendicular to the current flow,
the internal magnetization vector of the permalloy will rotate around an angle a.
As a result, the resistance of R of the permalloy will change
as a function of the rotation angle a, as given by:
R =RO + △RO * cos^2 * a
.
Ro and △Ro are material parameters and to achieve optimum sensor characteristics Philips
use Ni19Fe81, which has a high Ro value and low magnetostriction.
With this material, DRo is of the order of 3%. For more information on materials, see Appendix 1.
.
It is obvious from this quadratic equation,
that the resistance/magnetic field characteristic is non-linear
and in addition, each value of R is not necessarily associated
with a unique value of H (see Fig.3).
.
For more details on the essentials of the magnetoresistive effect,
please refer to the Section “Further information for advanced users” later
in this chapter or Appendix 1, which examines the MR effect in detail.
.
In this basic form, the MR effect can be used effectively for angular measurement
and some rotational speed measurements,
which do not require linearization of the sensor characteristic.
.
그림 3
 

In the KMZ series of sensors, four permalloy strips are arranged in a meander fashion
on the silicon (Fig.4 shows one example, of the pattern on a KMZ10).
They are connected in a Wheatstone bridge configuration, which has a number of advantages:
· Reduction of temperature drift
· Doubling of the signal output
· The sensor can be aligned at the factory.
.
그림4 KMZ10 칩 구조
 
 
그림. 5 Two further resistors, RT, are included, as shown in Fig.5.
 
 
These are for trimming sensor offset down to (almost) zero during the production process.
For some applications however, the MR effect can be used to its best advantage
when the sensor output characteristic has been linearized. These applications include:
· Weak field measurements, such as compass applications and traffic detection;
· Current measurement; and
· Rotational speed measurement.
.
For an explanation of how the characteristic is linearized, please refer to the Section
“Further information for advanced users” later in this chapter.
Philips magnetoresistive sensors Based on the principles described,
Philips has a family of basic magnetoresistive sensors.
.
표. 2 The main characteristics of the KMZ sensors are given in Table 2.
 

반전(Flipping)
2개의 안정한 위치를 가지는 센서 스트립의 내부 자화(magnetization)는 만일 센서의 모든 근거로 부터
내부 정렬 자계의 반 자기장에 의해 충분히 영향을 받는다면.
자화는 하나의 위치로 부터 다른 위치로 뒤집힐 수 있고,
스트립(strip)은 반대 방향으로 자화된다. (예를 들면, +x는 -x 방향으로).
.
그림 6 에서 보여주는 이것은 센서의 특성 안에서 강력하게 유도할 수 있다.
 
 
The field (e.g. ‘-Hx’) needed to flip the sensor magnetization, and hence the characteristic,
depends on the magnitude of the transverse field ‘Hy’: the greater the field ‘Hy’,
 the smaller the field ‘-Hx’. This follows naturally, since the greater the field ‘Hy’,
the closer the magnetization's rotation approaches 90°,
and hence the easier it will be to flip it into a corresponding stable position in the ‘-x’ direction.
.
Looking at the curve in Fig.7 where Hy = 0.5 kA/m,
for such a low transverse field the sensor characteristic is stable
for all positive values of Hx and a reverse field of 1 kA/m is required before flipping occurs.
At Hy = 2 kA/m however, the sensor will flip even at smaller values of ‘Hx’ (at approximately 0.5 kA/m).
.
그림.7  반전 자계 Hy의 몇개의 값을 위한  보조적인 자기장(Hx)의 기능에 의한 센서 출력 Vo
 

Figure 7 also shows that the flipping itself is not instantaneous,
because not all the permalloy strips flip at the same rate.
In addition, it illustrates the hysteresis effect exhibited by the sensor.
For more information on flipping, see the Section “Further information for advanced users” later
in this chapter and Appendix 1 on the magnetoresistive effect.
.
Effect of temperature on behaviour Figure 8 shows
that the bridge resistance increases linearly with temperature,
due to the bridge resistors’temperature dependency (i.e. the permalloy) for a typical KMZ10B sensor.
The data sheets show also the spread in this variation due to manufacturing tolerances
and this should be taken into account when incorporating the sensors into practical circuits.
.
In addition to the bridge resistance, the sensitivity also varies with temperature.
This can be seen from Fig.9, which plots output voltage against transverse field ‘Hy’ for various temperatures.
 
그림 9는 증가된 온도로 내려간 감도를 보여준다 (데이터 시트에서 모든 센서를 위해 주어진 실제 값)
The reason for this is rather complex and is related to the energy-band structure of the permalloy strips.
.
그림.8  주변온도의 예측에 의한 KMZ10B 센서의 브릿지 저항
 
 
그림. 9 약간의 온도를 위한 Hy 필드를 교차하는 기능으로
KMZ10B의 센서의 전원전압 분할에 의한 vo의 출력전압
 

그림 10은 그림9와 비슷하다, 그러나 정전류 전원으로 공급된 센서는 그림 10에 보인다.
이 경우에, 감도의 온도 의존성은 중요하게 내려 간다.
브릿지와 출력전압에 따라서 횡단하는 전압의 증가에 의한 감도 저하의 종합적인 보상에 의해서,
온도에서 브릿지 저항 안에서 직접 결과는 증가한다.
(그림 8을 보라) 그림8은 정전류로 작동된 잇점을 보여준다.
.
그림.10 약간의 온도를 위한 Hy 필드를 교차하는 기능으로 KMZ10B 센서의 vo 출력 전압
 

자기저항 센서의 사용
The excellent properties of the KMZ magnetoresistive sensors, including their high sensitivity,
low and stable offset, wide operating temperature and frequency ranges and ruggedness,
make them highly suitable for use in a wide range of automotive, industrial and other applications.
These are looked at in more detail in other chapters in this book;
some general practical points about using MR sensors are briefly described below.
.
아날로그 용응회로
In many magnetoresistive sensor applications where analog signals are measured
(in measuring angular position, linear position or current measurement, for example),
a good application circuit should allow for sensor offset and sensitivity adjustment.
Also, as the sensitivity of many magnetic field sensors has a drift with temperature,
this also needs compensation. 기본 회로를 그림 11에 보여준다.
.
In the first stage, the sensor signal is pre-amplified and offset is adjusted.
After temperature effects are compensated, final amplification
and sensitivity adjustment takes place in the last stage.
This basic circuit can be extended with additional components to meet specific EMC requirements
or can be modified to obtain customized output characteristics
(예. 차동 출력전압 범위 혹은 전류출력 신호).
.
Philips magnetoresistive sensors have a linear sensitivity drift
with temperature and so a temperature sensor
with linear characteristics is required for compensation.
Philips KTY series are well suited for this purpose,
as their positive Temperature Coefficient (TC) matches well
with the negative TC of the MR sensor.

The degree of compensation can be controlled with the two resistors R7 and R8
and special op-amps, with very low offset and temperature drift,
should be used to ensure compensation is constant over large temperature ranges.
.
Please refer to part 2 of this book for more information on ohe KTY temperature sensors;
see also the Section “Further information for advanced users” later in this chapter
for a more detailed description of temperature compensation using these sensors.
.
보상 권선을 사용한 자기저항 센서의 사용
For general magnetic field or current measurements it is useful to apply the ‘null-field’ method,
in which a magnetic field (generated by a current carrying coil),
equal in magnitude but opposite in direction, is applied to the sensor.
Using this ‘feedback’ method, the current through the coil is a direct measure
of the unknown magnetic field amplitude and it has the advantage
that the sensor is being operated at its zero point, where inaccuracies as result of tolerances,
temperature drift and slight non-linearities in the sensor characteristics are insignificant.
A detailed discussion of this method is covered in Chapter “Weak field measurements”.
.
그림.11 온도보상과 옵셋 조정의 기본 응용 회로
 
 

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