JHM1203在I²C信號輸出壓力傳感器上的應(yīng)用

劉海軍 2021-1-10

應(yīng)用簡介：

本文介紹了北京久好自主研發(fā)的傳感器信號調(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)時無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)板及上位機軟件，就可以實現(xiàn)單路及批量的溫度補償和校準(zhǔn)?；?/span>JHM1203設(shè)計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、消費類電子，汽車電子和充氣設(shè)備等領(lǐng)域并取得了很好效果。

1、JHM1203介紹

JHM1203是一款針對差分電阻橋式或半橋式傳感器信號設(shè)計的高精度、低功耗的信號調(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，可作為溫度測量和溫漂補償使用；JHM1203集成了24bit ΔΣADC，NOB為20bit。

和普通ADC不同的是，JHM1203內(nèi)置了數(shù)字信號處理電路可對傳感器的溫度漂、零點偏差、靈敏度偏差和非線偏差同時進行最高二階的補償；JHM1203片上還集成的一次性可編程存儲器(OTP)，掉電后仍可保存?zhèn)鞲衅鞯难a償系數(shù)。壓力傳感器微小的差分信號經(jīng)過JHM1203補償后，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。

圖1 基于JHM1203的電路結(jié)構(gòu)

3、電流消耗

JHM1203是專門為低功耗的應(yīng)用而設(shè)計的，它的待機功耗為0.1uA，在包括外部5K橋阻時，1Hz ODR的最小功耗約16..7uA。實測數(shù)據(jù)見表1。

表1 傳感器的實際功耗

4、校準(zhǔn)

JHM1203內(nèi)部集成了數(shù)字信號處理電路，支持2～7點的校準(zhǔn)計算，一般來說，校準(zhǔn)點數(shù)越多得到的壓力和溫度的數(shù)據(jù)精度越好。北京久好專門為JHM1203開發(fā)了評估套件和批量套件，最多可同時校準(zhǔn)1024路傳感器。校準(zhǔn)套件的作用是算出補償系數(shù)，寫入調(diào)理芯片，完成補償過程。北京久好同時也提供JHM1203的動態(tài)鏈接庫，方便客戶開發(fā)校準(zhǔn)系統(tǒng)。

5、I²C通信

以下通信指令以JHM1203的默認I2C地址（0X78）舉例，JHM1203的I2C地址可以通過寫OTP修改。

1)   I²C時序圖

圖2 I²C時序圖

2)   啟動一次測量指令

0xF0表示默認的7bits I2C傳感器從機設(shè)備地址為0x78，最后1bit 為0表示主設(shè)備MCU對從設(shè)備進行寫操作。0xAC為命令字，啟動從設(shè)備傳感器進行一次測量。

圖3 寫指令，啟動一次測量

3)   判斷測量結(jié)束的方法

發(fā)送完寫命令后需要等待一段時間，等待從設(shè)備傳感器測量結(jié)束，再發(fā)讀命令讀取測量數(shù)據(jù)。

判斷從設(shè)備傳感器測量結(jié)束，除延時等待外，有以下2種檢測方式。

a)      軟件查詢法——讀狀態(tài)字

圖4 讀狀態(tài)字

0xF1表示默認的7bits I2C傳感器從機設(shè)備地址為0x78，最后1bit 為1表示主設(shè)備MCU對從設(shè)備進行讀操作，讀取的第一個字節(jié)為狀態(tài)字。

表2 狀態(tài)字的比特位描述

b)硬件判斷法——EOC識別或中斷

啟動測量后，EOC變?yōu)榈碗娖健?/span>0”；測量結(jié)束后，EOC變?yōu)楦唠娖健?/span>1”。

4)讀取壓力數(shù)值

圖5 I²C讀出5個字節(jié)校準(zhǔn)后的電橋和溫度值

0xF1表示默認的7bits I²C傳感器從機設(shè)備地址為0x78，最后1bit 為1表示主設(shè)備MCU對從設(shè)備進行讀操作，讀取的第一個字節(jié)為狀態(tài)字，接著讀取的是三個字節(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，通過以下公式可得到準(zhǔn)確的壓力數(shù)據(jù)。

Pressure：實際壓力值； D_test：傳感器的數(shù)字輸出值； P_MIN：傳感器零點壓力值； P_MAX：傳感器滿量程壓力值；D_MIN：傳感器零點時對應(yīng)的數(shù)字輸出值；D_MAX：傳感器滿量程時對應(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值形式表示的無符號數(shù)進行簡單的換算。  

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)字各比特的詳細描述請參見附錄。

    0x9B  0xB0  0xC5 三個字節(jié)為電橋校準(zhǔn)值

    0x56  0xAA  兩個字節(jié)為溫度校準(zhǔn)值

電橋校準(zhǔn)值換算：將0x9B  0xB0  0xC5轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)為10203333,

   本次計算假設(shè)校準(zhǔn)時使用的量程為20Kpa-120Kpa，對應(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：

實際壓力值=（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，這個百分比在數(shù)值上等于我們換算得到的十進制數(shù)與16bits無符號數(shù)的最大值（65535）之比，所以在換算百分比時可進行如下計算

   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：需要注意的是，溫度傳感器需校準(zhǔn)后方可使用，未校準(zhǔn)的溫度值為原始值，不具備參考價值。

8、典型應(yīng)用電路

1)   基本應(yīng)用電路

圖6 JHM1203的基本應(yīng)用電路

使用基本應(yīng)用電路可以設(shè)計一些小體積、高精度、高性價比的應(yīng)用，例如高度計、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

圖7 JHM1203的低功耗恒流激勵電路

對于擴散硅芯體的應(yīng)用，使用恒流激勵可以降低溫漂，同時可以使溫漂更線性，溫補更容易，補償后精度更高。對于一些已經(jīng)做過恒流補償?shù)男倔w甚至免于做耗時的溫補。

表1、表2是兩只溫補后壓力傳感器的測試數(shù)據(jù)，需要說明的是這兩只壓力傳感器的芯體為不同的生產(chǎn)廠家隨機抽選。這兩只傳感器在-20～60℃溫區(qū)內(nèi)可以達到0.1%FS的精度。

表1 低功耗恒流激勵電路實測數(shù)據(jù)1

表2 低功耗恒流激勵電路實測數(shù)據(jù)2