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JHM1203在I2C信號(hào)輸出壓力傳感器上的應(yīng)用

   2021-02-05 久好電子劉海軍56770
核心提示:本文介紹了北京久好自主研發(fā)的傳感器信號(hào)調(diào)理芯片JHM1203在壓力傳感器上的應(yīng)用。使用JHM1203為調(diào)理芯片的壓力傳感器,MCU端在采集壓力數(shù)據(jù)時(shí)無(wú)需算法即可得到高精度的標(biāo)準(zhǔn)的壓力數(shù)據(jù)。
應(yīng)用簡(jiǎn)介
本文介紹了北京久好自主研發(fā)的傳感器信號(hào)調(diào)理芯片JHM1203在壓力傳感器上的應(yīng)用。使用JHM1203為調(diào)理芯片的壓力傳感器,MCU端在采集壓力數(shù)據(jù)時(shí)無(wú)需算法即可得到高精度的標(biāo)準(zhǔn)的壓力數(shù)據(jù)。搭配數(shù)字校準(zhǔn)板及上位機(jī)軟件,就可以實(shí)現(xiàn)單路及批量的溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)?;贘HM1203設(shè)計(jì)的壓力傳感器及儀表已經(jīng)廣泛應(yīng)用于白色家電、醫(yī)療電子、消費(fèi)類(lèi)電子,汽車(chē)電子和充氣設(shè)備等領(lǐng)域并取得了很好效果。
 
1 JHM1203介紹
JHM1203是一款針對(duì)差分電阻橋式或半橋式傳感器信號(hào)設(shè)計(jì)的高精度、低功耗的信號(hào)調(diào)理集成電路。JHM1203內(nèi)置了13.2~72X可調(diào)的前置放大器,可以適應(yīng)2~50mV/V傳感器芯體;ADC輸入電壓的偏置可設(shè),可以適應(yīng)壓力芯體2.5倍滿量程輸出的零點(diǎn)偏差;JHM1203還內(nèi)置了分辨率為0.003℃的溫度傳感器,可作為溫度測(cè)量和溫漂補(bǔ)償使用;JHM1203集成了24bit ΔΣADC,NOB為20bit。
和普通ADC不同的是,JHM1203內(nèi)置了數(shù)字信號(hào)處理電路可對(duì)傳感器的溫度漂、零點(diǎn)偏差、靈敏度偏差和非線偏差同時(shí)進(jìn)行最高二階的補(bǔ)償;JHM1203片上還集成的一次性可編程存儲(chǔ)器(OTP),掉電后仍可保存?zhèn)鞲衅鞯难a(bǔ)償系數(shù)。壓力傳感器微小的差分信號(hào)經(jīng)過(guò)JHM1203補(bǔ)償后,可直接輸出標(biāo)準(zhǔn)的壓力和溫度數(shù)據(jù),方便客戶使用。
 
2 電路結(jié)構(gòu)
通過(guò)圖1可以看出,JHM1203的基本電路為標(biāo)準(zhǔn)的I2C電路,正常工作僅需要3個(gè)外部元件,JHM1203 的供電范圍為1.8~3.6V可以和絕大多數(shù)的MCU兼容。
 3 電流消耗
JHM1203是專(zhuān)門(mén)為低功耗的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,它的待機(jī)功耗為0.1uA,在包括外部5K橋阻時(shí),1Hz ODR的最小功耗約16..7uA。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

1 傳感器的實(shí)際功耗

 
4  校準(zhǔn)
JHM1203內(nèi)部集成了數(shù)字信號(hào)處理電路,支持2~7點(diǎn)的校準(zhǔn)計(jì)算,一般來(lái)說(shuō),校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)越多得到的壓力和溫度的數(shù)據(jù)精度越好。北京久好專(zhuān)門(mén)為JHM1203開(kāi)發(fā)了評(píng)估套件和批量套件,最多可同時(shí)校準(zhǔn)1024路傳感器。校準(zhǔn)套件的作用是算出補(bǔ)償系數(shù),寫(xiě)入調(diào)理芯片,完成補(bǔ)償過(guò)程。北京久好同時(shí)也提供JHM1203的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù),方便客戶開(kāi)發(fā)校準(zhǔn)系統(tǒng)。
 
5  I²C通信
以下通信指令以JHM1203的默認(rèn)I²C地址(0x78)舉例,JHM1203的I²C地址可以通過(guò)寫(xiě)OTP修改。
1)I²C時(shí)序圖 
2)啟動(dòng)一次測(cè)量指令
0xF0表示默認(rèn)的7bits I²C傳感器從機(jī)設(shè)備地址為0x78,最后1bit 為0表示主設(shè)備MCU對(duì)從設(shè)備進(jìn)行寫(xiě)操作。0xAC為命令字,啟動(dòng)從設(shè)備傳感器進(jìn)行一次測(cè)量。
3)判斷測(cè)量結(jié)束的方法
發(fā)送完寫(xiě)命令后需要等待一段時(shí)間,等待從設(shè)備傳感器測(cè)量結(jié)束,再發(fā)讀命令讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。
判斷從設(shè)備傳感器測(cè)量結(jié)束,除延時(shí)等待外,有以下2種檢測(cè)方式。
a)軟件查詢法——讀狀態(tài)字
0xF1表示默認(rèn)的7bits I²C傳感器從機(jī)設(shè)備地址為0x78,最后1bit 為1表示主設(shè)備MCU對(duì)從設(shè)備進(jìn)行讀操作,讀取的第一個(gè)字節(jié)為狀態(tài)字。

表2 低功耗恒流激勵(lì)電路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)2

b)硬件判斷法——EOC識(shí)別或中斷
啟動(dòng)測(cè)量后,EOC變?yōu)榈碗娖?ldquo;0”;測(cè)量結(jié)束后,EOC變?yōu)楦唠娖?ldquo;1”。
4)讀取壓力數(shù)值  
0xF1表示默認(rèn)的7bits I2C傳感器從機(jī)設(shè)備地址為0x78,最后1bit 為1表示主設(shè)備MCU對(duì)從設(shè)備進(jìn)行讀操作,讀取的第一個(gè)字節(jié)為狀態(tài)字,接著讀取的是三個(gè)字節(jié)的壓力數(shù)值。
 
6  輸入輸出關(guān)系
MCU端接收到JHM1203返回的數(shù)據(jù)后,通過(guò)以下公式可得到準(zhǔn)確的壓力數(shù)據(jù)。
 Pressure:實(shí)際壓力值; Dtest:傳感器的數(shù)字輸出值; PMIN:傳感器零點(diǎn)壓力值;PMAX:傳感器滿量程壓力值;DMIN:傳感器零點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出值;DMAX:傳感器滿量程時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出值。
 
7  換算舉例  
讀到校準(zhǔn)數(shù)據(jù)后,需要將以AD值形式表示的無(wú)符號(hào)數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的換算。  
為方便理解我們假設(shè)讀到的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)為:0x04  0x9B  0xB0  0xC5  0x56  0xAA 
0x04為狀態(tài)字;Bit5為1表明最近一次I²C忙,需要等待一段時(shí)間。如果Bit5為0表明設(shè)備非忙,可以讀取數(shù)據(jù)。關(guān)于狀態(tài)字各比特的詳細(xì)描述請(qǐng)參見(jiàn)附錄。0x9B  0xB0  0xC5 三個(gè)字節(jié)為電橋校準(zhǔn)值;
0x56  0xAA  兩個(gè)字節(jié)為溫度校準(zhǔn)值;
電橋校準(zhǔn)值換算:將0x9B  0xB0  0xC5轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)為10203333;
本次計(jì)算假設(shè)校準(zhǔn)時(shí)使用的量程為20Kpa-120Kpa,對(duì)應(yīng)的AD輸出為1677722~15099494(10%AD~90%AD)
根據(jù)P2輸入輸出關(guān)系校準(zhǔn)公式得到:公式1
實(shí)際壓力值=(120-20)/(15099494-1677722)*(10203333-1677722)+20=83.5208 Kpa
溫度校準(zhǔn)值換算:將0x56  0xAA 轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)為22186,由于讀取到的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)是以百分比形式表示的,這個(gè)百分比在數(shù)值上等于我們換算得到的十進(jìn)制數(shù)與16bits無(wú)符號(hào)數(shù)的最大值(65535)之比,所以在換算百分比時(shí)可進(jìn)行如下計(jì)算:
22186/65536*100%=33.85%
溫度的校準(zhǔn)范圍規(guī)定為-40℃—150℃  所以校準(zhǔn)值=(150—(-40))*33.85%—40=24.32℃
注釋?zhuān)盒枰⒁獾氖?,溫度傳感器需校?zhǔn)后方可使用,未校準(zhǔn)的溫度值為原始值,不具備參考價(jià)值。
 
8  典型應(yīng)用電路
1)基本應(yīng)用電路
使用基本應(yīng)用電路可以設(shè)計(jì)一些小體積、高精度、高性價(jià)比的應(yīng)用,例如高度計(jì)、電子煙壓力傳感器等數(shù)字輸出模組。
2)低功耗恒流供電電路
 對(duì)于擴(kuò)散硅芯體的應(yīng)用,使用恒流激勵(lì)可以降低溫漂,同時(shí)可以使溫漂更線性,溫補(bǔ)更容易,補(bǔ)償后精度更高。對(duì)于一些已經(jīng)做過(guò)恒流補(bǔ)償?shù)男倔w甚至免于做耗時(shí)的溫補(bǔ)。表1、表2是兩只溫補(bǔ)后壓力傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù),需要說(shuō)明的是這兩只壓力傳感器的芯體為不同的生產(chǎn)廠家隨機(jī)抽選。這兩只傳感器在-20~60℃溫區(qū)內(nèi)可以達(dá)到0.1%FS的精度。
表1 低功耗恒流激勵(lì)電路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)1

表2 低功耗恒流激勵(lì)電路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)2

 
 
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