Bildergalerie
Bild 1: Blockschaltbild der Applikation MSS-AFE253.
Bild 2: Schaltbild der Applikation.
Bild 3: Ausgangsspannung des Magnetsensors als Funktion der magnetischen Flussdichte.
Bild 4: Ausgangsspannung des Magnetsensor-Systems

Low-Power-µC vereinfacht Applikation

Die hier beschriebene hochpräzise Applikation wurde eigens zu dem Zweck entwickelt, die Fähigkeiten des 24-Bit Sigma-Delta-Wandlers zu demonstrieren. Der Mikrocontroller mit seinem integrierten Sigma-Delta-Modul ist speziell für hochpräzise Mess-Anwendungen konzipiert.

Die MSS-Applikation nutzt die Detektierung der magnetischen Flussdichte, um festzustellen, ob die CD-Schublade eines CD-Players offen oder geschlossen ist (Bild 1). Gemessen wird die magnetische Flussdichte mithilfe eines hochpräzisen 24-Bit Sigma-Delta-Wandlers. Der Messbereich von ±670 Gauß hängt von den verwendeten Hall-Sensoren ab, deren Ausgangsspannung proportional zur Stärke des Magnetfelds ist. Die Endpositionen (offen/geschlossen) der CD-Schublade werden mit LEDs angezeigt. Um dem System zu einer höheren Auflösung zu verhelfen, ist ein Kalibrieren des Magnetsensors dringend anzuraten. Die magnetische Flussdichte im offenen und im geschlossenen Zustand (B1 bzw. B2) wird auf dem LC-Display angezeigt.

Beschreibung der Applikation

Die nachfolgend beschriebene Anwendung soll in einem CD-Player die mechanischen Schalter ersetzen, die die Position der CD-Schublade (offen/geschlossen) melden. An der Unterseite der Schublade ist zu diesem Zweck ein kleiner Permanentmagnet befestigt. Zur eigentlichen Positionsbestimmung werden die beiden Hall-Sensoren MS1 und MS2 benutzt. Darüber hinaus steuert die Applikation das komplette Laden der CD und den Spindelmotor. Zunächst soll genauer auf den Schaltplan (Bild 2) eingegangen werden. Die Schaltung wird sowohl im analogen Teil (AVCC) als auch im digitalen Teil (DVCC) mit 3,0 V betrieben. Die Ansteuerspannung für die Relais und den Motor beträgt 5,0 V. Auf der Basis des Quarzes Q1 wird der Mikrocontroller mit 1 MHz getaktet. Die Anwendung verfügt über drei Drucktaster S1, S2 und S3 (Reset). Das Betätigen des Reset-Tasters veranlasst, dass die Applikation zurückgesetzt und neu gestartet wird.

Die Funktion 1 (S1)

Als erstes wird ein Funktionstest ausgeführt, um den Spindelmotor zu prüfen. Nach Betätigung von S1 läuft der Spindelmotor M1 kurz an, um nach 2 Sekunden automatisch wieder anzuhalten. Daran anschließend wird die Öffnen/Schließen-Funktion ausgeführt, wobei das Erreichen der Endstellungen offen/geschlossen von den Sensoren MS1 (offen) und MS2 (geschlossen) überwacht wird.

Der Ladevorgang

Das Betätigen von S1 erzeugt einen Low-Zustand an Pin 24, woraufhin ein an Pin 17 generiertes Triggersignal Relais 1 und Relais 4 aktiviert. Der Motor M2 dreht sich daraufhin nach rechts und die Schublade fährt aus. Während des Öffnungsvorgangs beginnt der Sigma-Delta-Wandler damit, die magnetische Flussdichte des „Offen“-Sensors MS2 zu messen. In der Endstellung der Schublade ist die Ausgangsspannung des Sensors MS2 deutlich größer als 500 mV. Da die differenzielle Eingangsspannung des Analog-Front-Ends (∑∆-Wandler) jedoch mit typisch ±500 mV bei einer Verstärkung von 1 spezifiziert ist, geht es nicht ohne eine entsprechende Anpassung. Die analogen Eingangs-Pins sind deshalb mit einem Präzisions-Spannungsteiler versehen. Sobald die Referenzspannung von MS2 erreicht wird (Bild 4), fällt das Triggersignal an Pin 17 weg. Der Motor M2 hält daraufhin umgehend an und das Aufleuchten von LED1 signalisiert die „Offen“-Position der CD-Schublade. Jetzt kann die CD eingelegt und zum Schließen der Drucktaster S1 erneut betätigt werden.

Relais 2 und Relais 3 erhalten nun ein Triggersignal von Pin 18, und der Schubladen-Antriebsmotor M2 dreht linksherum. Die Schublade verlässt die Endstellung „offen“ und LED1 erlischt. Der eben beschriebene Vorgang läuft jetzt mit dem Sensor MS1 ab, der die Endstellung „geschlossen“ anzeigt. Wird die Referenzspannung von MS1 erkannt, so zeigt dies das Erreichen der „Geschlossen“-Position an, was durch das Aufleuchten der grünen LED2 gemeldet wird. In diesem Zustand läuft der Spindelmotor M1 an und die Lasereinheit wird aktiviert. Für die Steuerung des Lasers ist allerdings ein anderer Mikrocontroller zuständig. Die magnetische Flussdichte des verwendeten Permanentmagneten beträgt 40 Gauß, jedoch ist bedingt durch den Montageort an der CD-Schublade und die Position der Hall-Sensoren MS1 und MS2 nur eine magnetische Flussdichte von maximal 35 Gauß messbar. Unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit, mit der sich die Schublade bewegt, wurden ca. 25 Gauß als gespeicherter Referenzwert gewählt. Praxistests haben zudem ergeben, dass die Schublade einen gewissen Anhalteweg benötigt. Bild 3 zeigt den linearen Verlauf der Ausgangsspannung des Magnetsensors, jedoch hat das Gesamtsystem wegen der Bewegung des Magneten eine nichtlineare Charakteristik. Siehe hierzu Bild 4.

Sonderfunktion

Funktion 2 (S2) ermöglicht eine hochpräzise Messung der magnetischen Flussdichte und kann die Polarität eines Magneten ermitteln. Die Applikation kann magnetische Flussdichten in einem Bereich von ±670 Gauß messen. Ausschlaggebend für die Genauigkeit, mit der das Magnetfeld quantifiziert wird, ist die analoge Performance des Sigma-Delta-Wandlers. Die Mess-Auflösung ist besser als 0,25 Gauß.

Beim Betätigen von S2 beginnt der oben bereits beschriebene Ladevorgang. Sobald die Schublade ausgefahren ist und LED1 grün aufleuchtet, kann anstelle einer CD ein zu vermessender Magnet in die Schublade gelegt werden. Daraufhin erscheint auf dem LC-Display die Aufforderung, den Magneten durch Drücken von S1 zu laden. Die Schublade mit dem Magneten fährt daraufhin ein, und das Sigma-Delta-Modul wird wieder aktiv, denn während des Einfahrvorgangs misst ein weiterer Hall-Sensor (MS3), der sich in der Mitte der Schubladenmechanik befindet, die magnetische Flussdichte. Die Hall-Effekt-Spannung von MS3 steht an den Pins 8 und 9 zur Verfügung. Selbstverständlich ist auch hier ein Spannungsteiler erforderlich. Nachdem die Endstellung „geschlossen“ erreicht ist, fährt die Schublade umgehend wieder aus und auf dem LCD wird neben der Aufforderung, den Magneten zu entnehmen, die gemessene magnetische Flussdichte (B1) angezeigt. Um die Polarität des Magneten zu bestimmen, muss der Magnet zweimal in entgegengesetzter Lage eingelegt werden. Bild 3 zeigt die Hall-Effekt-Spannung am Ausgang als Funktion der magnetischen Flussdichte (in Gauß). Bei 0 Gauß liegen am Ausgang etwa 2,5 V an. Diese Spannung wird auch als Nullspannung bezeichnet. Wird der Magnet mit dem Südpol nach oben eingelegt, erhält man eine Hall-Effekt-Spannung größer null, während diese Spannung ein negatives Vorzeichen hat, wenn der Nordpol nach oben zeigt. Diese Methode der Polaritätsbestimmung ist denkbar einfach.

Die LCD-Schnittstelle

In Bild 2 ist zu sehen, dass die LCD-Schnittstelle an Port1 des Mikrocontrollers (Pins 21 bis 23) herausgeführt ist. Das verwendete LCD-Modul mit seiner Matrix aus 48×84 Pixeln benötigt eine SPI-Schnittstelle. Deshalb wird ein 8-Bit-Master mit 3-Pin-Konfiguration programmiert. Das eingebaute SPI-Modul stellt den SPI-Takt an Pin 23 und die Signale SOMI (Slave Out/Master In) und SIMO (Slave In/Master Out) an den Pins 22 bzw. 21 zur Verfügung. Der Master initiiert durch Senden von UCLK (SPI-Takt) einen Datentransfer an das LCD. Die gemessenen magnetischen Flussdichten B1 und B2 sowie die Polarität werden auf der Pixelmatrix dargestellt. Beim Kalibrieren der Referenzwerte erscheinen außerdem die Werte von MS1 und MS2 auf dem Display.