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MT6701是麥歌恩最新推出的三軸（旋轉+按壓）感應磁性角度編碼芯片。適用于與直流無刷舵機相關的無人機、云臺、遙控模型、機器人關節(jié)等，以及與智能家電相關的高級電子旋鈕場景。
磁性角度編碼器芯片在將近20年的發(fā)展歷程中，經歷了從早期的水平霍爾式感應、到后來的垂直霍爾式感應以及最新的各類高性能的磁阻式感應（AMR各向異性磁阻、GMR巨磁阻以及TMR隧道磁阻）等多種磁感應原理的演進。目前，高性能的磁性角度編碼器應用已經是各類磁阻感應技術的天下，同時，集成了各類復雜的信號處理和校準算法的ASIC也成為了提升磁性編碼器芯片整體性能不可或缺的核心部分。
而麥歌恩卻從早期的磁感應技術中挖出了新寶藏，今天我們將為大家介紹一種相對古老的感應方式——差分水平霍爾式感應（霍爾器件處于芯片表面的水平面內）。
雖然在高性能的閉環(huán)步進和伺服電機應用中，這一感應方式由于天然的靈敏度較低（相比磁阻至少低10倍以上）而導致的信噪比差，最終的噪聲和動態(tài)性能無法和磁阻類的角度編碼器芯片媲美，但由于其天然的差分感應方式在某些應用中具有優(yōu)異的抗外界磁場干擾和電磁輻射的特性而受到青睞；同時這種方式除了能夠感應芯片表面的平面角度外，還可以感應芯片垂直方向的磁場變化，從而實現一個非接觸式的“旋鈕+按鈕”的功能。
MagnTek最新推出的MT6701磁性角度編碼器芯片就是基于該原理。
| 核心原理：差分霍爾——消除外界磁場干擾
首先我們來了解一下如下圖所示的差分水平霍爾感應原理。
圖1 差分水平霍爾感應原理
01 | XY平面內的角度檢測
互成90°擺放的四個水平霍爾盤，水平霍爾盤只感應垂直于芯片表面的磁場分量Bz，互在對角線上的兩個霍爾盤組成一組差分對，感應到的磁場強度為Bz-(-Bz)=2Bz。這樣形成了兩對互成90°的差分霍爾電橋。隨著在芯片上方1對極徑向充磁的磁鐵旋轉，二對互成90°擺放的差分霍爾電橋產生了Cosθ和Sinθ的電壓信號如下圖所示，由于霍爾盤靈敏度比較低，此處的電壓信號一般只有幾mV，通過后續(xù)的放大、校準和信號處理電路的運算，可以求解得到角度θ。MT6701的角度信息θ以ABZ、PWM、模擬線性電壓以及14位二進制數字絕對值的形式輸出給用戶。
圖２ 差分水平霍爾角度感應原理
02 | 差分霍爾盤抗各個方向的磁場干擾
由于芯片上的霍爾盤陣列，只感應垂直于芯片表面的磁場。如圖1所示，當1對極徑向充磁的磁鐵安裝在芯片正上方時，從磁鐵北極到磁鐵南極的磁力線，正好使得芯片上成180°擺放的一對霍爾盤，一個感應到+BZ的磁場，而另一個感應到-BZ的磁場，經差分運算后得到總的感應磁場為2BZ；此時如果有X方向的干擾磁場BEX或者Y方向的干擾磁場BEY存在，霍爾盤并不會對此產生任何感應；如果有一個Z方向的干擾磁場BEZ存在，這時一個霍爾盤感應到BEZ+BZ的磁場，另一霍爾盤感應到BEZ-BZ的磁場，經差分運算后得到總的感應磁場依然為2BZ。因此差分霍爾盤設計，可以完美的消除外界任一方向上的磁場的干擾。這在很多應用中具有天然的優(yōu)勢。
03 | 垂直方向（Z方向）按壓檢測功能
除了XY平面內的角度轉動檢測，MT6701還集成了垂直方向（Z方向）的按壓檢測功能。
這一功能利用兩對成90°的電橋產生的Cosθ和Sinθ的電壓信號，他們的平方和A代表了霍爾盤感應到的磁場的絕對強度：
A=ASin2θ+ ACos2θ
在芯片和磁鐵之間的距離固定的情況下，無論θ角度是多少，經過計算得到的A的數值是固定的，但是當磁鐵和芯片直接的距離變化之后，霍爾盤感應到的磁場大小隨之變化，A也就發(fā)生了變化。正是利用了這一數學關系，MT6701實現了Z軸的按壓功能，按壓的閾值可以通過芯片內置的EEPROM進行編程，以方便各種應用設計。
| 便捷且抗干擾能力強的設計——SSI接口
MT6701提供了方便并且抗干擾能力強的SSI數字傳輸接口。
圖3 MT6701的SSI通信接口
MT6701提供了方便的SSI接口，相比與I2C或者SPI接口，SSI接口不需要通信命令，上位機只需要提供片選信號和時鐘，即可從芯片內讀取數據。MT6701在SSI接口上提供了每幀24bit的固定格式數據，其中14位的絕對角度數據，4bit的磁場狀態(tài)信息位（包括弱磁，強磁，按壓，速度飽和），以及多達6bit的CRC數據校驗位。
6bit的CRC數據校驗位，極大的提高了數據傳輸的抗干擾能力，很多應用中，編碼器靠近電機本體或者動力線，電磁環(huán)境惡劣，信號傳輸極易受干擾。上位機通過6bit的校驗位判斷，可以極大的降低接收錯誤數據的概率。
| MT6701的典型應用
01 | 直流無刷舵機
直流無刷舵機是舵機中的高端系列，廣泛應用于無人機、云臺、機器人關節(jié)控制等場景。
直流無刷舵機一般形式為空心杯電機，由于空間限制編碼器一般放置在電機側面，一般的磁編碼器都會受到電機磁場的影響，只有差分霍爾式的磁編碼器可以輕松完美的消除這一干擾。
圖4 舵機中的磁
02 | 基于磁編的“旋鈕+按鈕”應用
圖5 傳統(tǒng)電位器旋鈕 磁性角度編碼器開關
用磁性角度編碼器編芯片做旋鈕有兩個好處
1 非接觸式工作，使用壽命遠高于電位器。對于每時每刻都在運行的設備，一般電位器幾萬次的有限使用壽命會顯得捉襟見肘，而磁性角度編碼器的方案使用壽命和次數無關，普遍使用壽命在10年以上。
2 也是因為非接觸式工作，磁鐵和芯片可以分離，因此可以容易的實現防水設計，比如PCB板和旋鈕（內含磁鐵）之間用玻璃等材料完全隔絕，既能防水又完全不影響使用。
圖6 MT6701實現“旋鈕+按壓”功能
