TLE5012B 硬件电路设计4线SPI通信，驱动完美兼容4线SPI不用改MOSI开漏推挽输出

Posted 2021-09-07 Mark_md

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了TLE5012B 硬件电路设计4线SPI通信，驱动完美兼容4线SPI不用改MOSI开漏推挽输出相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、TLE5012B 简介

TLE5012B 是一种款高分辨率旋转位置传感器，用于在整个 360 度范围内进行角度测量。

它通过使用单片集成 巨磁阻 (iGMR) 元件，来测量正弦和余弦角分量，这些原始信号（正弦和余弦）在内部进行数字处理，以计算磁场（磁铁）的角度方向。

数据通信是通过与 SPI 兼容的 双向同步串行通信 (SSC) 完成的。传感器配置存储在寄存器中，可通过 SSC 接口访问。此外，TLE5012B 还提供其他四个接口：脉宽调制 (PWM) 、短 PWM (SPC) 、霍尔开关模式 (HSM) 和增量接口 (IIF)。这些接口可以与 SSC 并行或单独使用。

二、硬件参数

15 位绝对角度位置传感器。
在整个使用寿命和温度范围内，启用自动校准，最大1.0° 角度误差。
高达 8 Mbit/s 的双向 SSC 接口。（实测跑到18MHz也能正常通信）
接口：SSC、PWM、增量接口 (IIF)、霍尔开关模式 (HSM)、短 PWM 代码（SPC，基于 SAE J2716 中定义的 SENT 协议）
ESD > 4 kV (HBM)
最常用的型号为 TLE5012B E1000，接口为 ABI 和 SSC。其他型号的区别只是输出接口不一样，但都支持SSC通信。
基于 巨磁阻 原理，有别于AS5047使用的霍尔。

三、硬件设计、参考电路、SPI兼容思路

TLE5012B 支持的供电范围为 3.3~5.5V。

个人建议使用使用 3.3V供电，通信引脚串电阻还可以用来兼容5V的MCU电平。

SPI兼容思路：

TLE5012B 接口使用 SSC，兼容 SPI，其实相当于一个半双工的SPI。
看过他人的电路。一般是直接将 MCU 的 MOSI 和 MISO 并联一起，直接接 TLE5012的 DATA 引脚。
通过更改驱动，控制MOSI的输出类型为开漏或推挽。发送命令时设置MOSI为推挽输出，接收数据时设置MOSI为开漏，以实现正常通信。

存在问题：

上面的方法听着巧妙，但并不算完美。因为有的MCU或者模组，其不一定提供寄存器手册，其开发方式可能是由原厂团队维护的SDK，通过库的方式来调用接口，从而进行二次开发。而SDK的库中会不会预留设置GPIO输出类型的接口，要看开发团队的心情。如果没有，就基本宣布拜拜。

并且直接并联的方式，也容易在调试过程中，因代码不稳定造成GPIO损毁。

再者不方便移植，换个主机设备，很可能因为要改SPI驱动底层，而用不了。

让SSC完美兼容4线SPI的参考电路：

我摸索出个方式是，像下图那样串联电阻。通信方式与标准4线SPI完全一致，波形也基本一致，用不着额外更改SPI驱动，可以直接用原有的SPI驱动去读TLE5012B的数据。串两个电阻就能让TLE5012B有更多的设备兼容性，何乐而不为呢。

只不过MOSI发数据时，也能在MISO上看到波形。但因为SSC是个半双工的SPI，不需要同时发送和接收，对TLE5012B的读数据不会造成影响。
（使用下面的电路，配置SPI时要将MOSI的空闲电平配置为0，配置为1可能会对返回数据有影响。）
（实际波形见下面的逻辑分析仪的读角度测试波形）

完全兼容4线SPI通信的参考电路：

四、SPI通信时序、读寄存器流程

TLE5012B 的 SPI 使用 模式1（CPOL=0，CPHA=1）来交换数据。

数据传输从 CSn 的下降沿开始，TLE5012B 在 SCL 的下降沿采样 MOSI 数据。 SPI 命令在帧结束（CSn 的上升沿）时执行。

读寄存器流程

读 磁极旋转角度 的流程在另一篇用户手册中。

读磁极旋转角度：SPI 先发送 0x8021，等待 t_{wr_delay} （最小130ns）后，读 4个字节。

读到的 4个字节中，前2个字节是磁极的角度，后2个自己是安全验证位，用来承载传感器错误信息和数据帧的校验。
（上述过程只读2个字节也可以，只不过因为缺少了安全字，可能会因SPI线路传输导致数据有误）

读磁极角速度 也是一样的：SPI 发送 0x8031，等待 t_{wr_delay} 后，读 6个字节。

五、逻辑分析仪波形、数据波动测试

测试的 MCU 使用 ESP32，以 4MHz-SPI 的速率通信。

（实测信号线串联220R电阻，SPI以18MHz的速率也能正常通信，远高于手册推荐的8MHz。）

源码暂未放出，待后续完善个人ESP32驱动库后一同开源。获取预览版可先评论区留下邮箱。

4线SPI 读磁极转子角度。（0x8021）

仅读了2个字节的寄存器值，没有读后面的安全字，可能会因SPI线路传输导致数据有误。

由上面两图可以看到，MOSI、MISO串联电阻的电路，可以完美用标准4线SPI 驱动。

虽然在 MOSI发数据时，影响到了 MISO 的波形。但因为SSC是个半双工的SPI，不需要同时发送和接收，所以对TLE5012B的读数据不会造成影响。

（使用上面的电路，需配置SPI MOSI的空闲电平 为 0，配置为1可能会对返回的数据有影响。）

数据波动测试

磁极转子静止时的数据输出。波动不大，很稳定，波动基本在 ±2内。

输出的角度为旋转角度的绝对值，15Bit，0 ~ 32768，对应着 0~360°。用于运动控制的场合，不用像ABI每次上电都要归零点，使用很方便。