AS5047P磁编码器应用设计大全解：硬件电路设计SPI通信时序逻辑波形分析注意事项

Posted 2021-09-06 Mark_md

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了AS5047P磁编码器应用设计大全解：硬件电路设计SPI通信时序逻辑波形分析注意事项相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

1、AS5047P硬件设计

1.1 简介、性能参数

AS5047P 是一种款高分辨率旋转位置传感器，用于在整个 360 度范围内进行高速（高达 28krpm）角度测量。这种新型位置传感器配备了革命性的集成 动态角度误差补偿 (DAEC™)，延迟几乎为零，并提供强大的设计，可抑制外部杂散磁场的影响。

AS5047P 非常适合具有挑战性的 BLDC 电机换向及工业应用，例如工厂自动化、楼宇自动化、机器人、PMSM（永磁同步电机）和步进电机闭环调节，以及对光学编码器的替换。

14 位绝对角度位置传感器。
适用于最高 28K RPM 转速的测量，动态角度误差最大值约为 ±0.2°。
通信支持标准 4线SPI 串行接口。
拥有 SPI、ABI、PWM、UVW 等多种位置角度输出方式。
ABI 接口可配置输出为 4096/4000/2048/2000/1600/1200/1024/800/400/200/100 步每转。（有默认值，如需调整需OTP编程，只可更改一次）(注意：ABI 接口最大只支持 12位输出。)
支持外部 3.3/5V 供电。封装为 TSSOP-16。

1.2 硬件设计 - 供电

AS5047P 支持两种供电方式：

1、外部5V供电，使用内部LDO稳压；
2、外部3.3V供电；

但要注意两种方式的通信电平不同。

1.2.1 外部5V供电，使用内部LDO稳压

使用外部5V供电，需要启用AS5047P自带的3.3V LDO。

5V由VDD输入，VDD3V3对GND接1uF电容。

1.2.2 外部3.3V供电

使用外部3.3V供电时，需要将VDD和VDD3V3短接。

1.3 硬件设计 - 注意事项

如使用外部5V的供电方式，启用AS5047P内部的3.3V LDO，则外部的供电电压必须保持在 4.5~5.5V 这个范围。

另外，还需考虑通信电平的兼容。
根据使用的 MCU 是 3.3V/5V，来匹配 AS5047P的供电电路。
（不建议串电阻兼容。串电阻会影响SPI通信速率，实测串联100R电阻导致1MHz-SPI通信失败。）

2、AS5047P - SPI通信时序

从手册的第11页开始翻译

SPI 接口（从）
主机微控制器（主）使用 SPI 接口来读取或写入易失性存储器以及对非易失性 OTP 寄存器进行编程。 AS5047P 的 SPI 仅支持从模式。它可以以高达 10 MHz 的时钟速率进行通信。

AS5047P SPI 使用模式=1（CPOL=0，CPHA=1）来交换数据。如图 11 所示，数据传输从 CSn 的下降沿开始（SCL 为低电平）。 AS5047P 在 SCL 的下降沿采样 MOSI 数据。 SPI 命令在帧结束时执行（CSn 的上升沿）。位顺序是 MSB 在前。数据受奇偶校验保护。

（注意：与AS5047P进行SPI通信的MCU，需要配置SPI为 SPI mode 1.(CPOL=0, CPHA=1)，之前大多数情况用mode0，注意更改硬件配置。）

SPI时序
AS5047P SPI 时序如图 11 所示。

SPI事务
SPI 事务由一个 16 位的命令帧 和一个 16 位的数据帧 组成（也就是各两个字节）。图 13 显示了命令帧的结构。
SPI命令帧

为了提高 SPI 通信的可靠性，必须生成和发送偶校验位 PARC。奇偶校验位的错误设置会导致奇偶校验位错误，错误标志寄存器中的 PARERR 位显示了该错误。奇偶校验位是从命令帧的低 15 位计算的。 16 位的命令帧由 寄存器地址 和 读/写标志位 组成，该位来指示SPI事务是读还是写，以及奇偶校验位。

图 14 展示了读取的数据帧格式。

奇偶校验位 PARD 由 AS5047D数据帧的低 15 位计算。如果前一个 SPI 命令帧中发生错误，则 EF 位被置1。 SPI 读取在 CSn 的上升沿进行采样，数据通过下一个读取命令在 MISO 上传输，如图 15 所示。
SPI读数据帧

表15很有参考意义的，图中包含了多个 SPI读 的消息帧。
CMD 和 DATA各16位，DATA会在下一次的CMD传输中被读出。很标准的SPI读过程。
AS5047的一个完整 SPI读 消息帧 = 表 13-命令帧（MOSI） + 表 14-读数据帧（MISO）

发送CMD的同时，可一同读出上次CMD指定的寄存器数据。这种读的方式，特别适合AS5047这样，需要以高刷新率读取电机转子位置的场合。

SPI写数据帧

奇偶校验位 PARD 必须根据 16 位数据计算。在 SPI 写事务中，写命令帧之后是 MOSI 的写数据帧。写数据帧由地址在命令帧中的寄存器的新内容组成。

在通过写数据帧在 MOSI 上传输新内容期间，在 MISO 上发送旧内容。在 MOSI 上的下一个命令中，寄存器的实际内容在 MISO 上传输，如图 17 所示。

区别于表15-SPI读。
AS5047的一个完整 SPI写 消息帧 = 表 13-命令帧（MOSI） + 表 16-写数据帧（MOSI）
特别注意：SPI写 消息帧时，MISO上的数据可以不读取，除非有需要此寄存器先前内容的需求。千万别让这个搞混了。正常按SPI写操作就行，不必关注MISO输出的数据。另外SPI写几乎用不到，除非有OTP编程的需求。

3、寄存器结构

3.1 易失性寄存器

易失性寄存器如图 18 所示。每个寄存器都有一个 14 位地址。

读取 NOP 寄存器相当于 AS5047P 的 nop（无操作）指令。

Figure 19~24 详细的说明了 易失性寄存器 的 位功能。内容太多，请自己阅读数据手册。

简要汇总：
NOP：读取 NOP 寄存器相当于 AS5047P 的 nop（无操作）指令。
ERRFL：错误标志寄存器。包括：奇偶校验错误、无效命令错误、帧错误。
PROG：用于对 OTP 存储器进行编程，二次开发基本用不到，不看了。
DIAAGC：磁场强度标志，CORDIC 溢出，及AGC控制，也用不到。
MAG：CORDIC 幅度信息，用不到。
ANGLEUNC：没有动态角度误差补偿的角度信息。
ANGLECOM：具有动态角度误差补偿的角度信息。（获取转子角度，不需要配置其他任何寄存器，在保证时序无误的前提下，只读这一个寄存器的值就够了。读取后要对 PARD进行偶校验，无误后将其转换为实际的转子角度）

3.2 非易失性寄存器 (OTP)

OTP（一次性可编程）存储器用于将传感器的绝对零位和客户设置永久存储在传感器 IC 中。

对于所有非易失性寄存器（软写入），可以多次进行 SPI 写/读访问。硬件复位后软写入的寄存器内容将丢失。

自编程只可完成一次。因此，非易失性寄存器的内容永久存储在传感器中。硬件复位后寄存器内容仍然存在，不能被覆盖。

对于传感器的正确功能，不需要 OTP 编程。如果未进行配置或编程，非易失性寄存器处于默认状态 0x0000h。
（注意：注意上面的一行话，仅使用传感器的正常功能，是不需要OTP编程的。而且OTP只能固化一次，不可二次编程）

非易失性寄存器表

Figure 26~34 详细的说明了 非易失性寄存器 的 位功能。内容太多，请自己阅读数据手册。

自己看了下 非易失性寄存器表 的功能，进行以下总结：

ZPOSM 和 ZPOSL 为 绝对零位 的校准值。
SETTINGS1 和 SETTINGS2 存储着用户自定义配置。这些配置包括：定义 PWM 的输出功能、禁用动态角度的误差补偿、ABI 脉冲的十进制或二进制选择、启用 PWM输出、UVW 的极对数设置、滞后设置、ABI的分辨率（4096/4000/2048/2000/1600/1200/1024/800/400/200/100 步每转）。
芯片出厂后，默认的OTP配置是怎样？

手册对ABI接口的概述：
AS5047P 可以通过增量接口将角度位置发送到主微控制器。此接口可与其他接口同时使用。

默认情况下，增量接口设置为以每转 4096 步或每转 1024 脉冲 (ppr) 的最高分辨率工作。可以分别使用位 ABIBIN 在每转十进制和二进制脉冲之间进行选择，并使用位 ABIRES 选择每转脉冲，如图 30 所示。
（不过我买的几块芯片，实测ABI默认是每转 4000 步，感觉和手册说的有点出入…关于ABI的说法暂不确定）

OTP编程的流程框图在手册中有介绍，不过自己没有用到，就不再继续介绍OTP。