JHM1203在I2C信號輸出壓力傳感器上的應用

2021-01-15 18:20:25 1700

JHM1203在I2C信號輸出壓力傳感器上的應用

劉海軍 2021-1-10

應用簡介：

本文介紹了北京久好自主研發(fā)的傳感器信號調理芯片JHM1203在壓力傳感器上的應用。使用JHM1203為調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準的壓力數(shù)據(jù)。搭配數(shù)字校準板及上位機軟件，就可以實現(xiàn)單路及批量的溫度補償和校準。基于JHM1203設計的壓力傳感器及儀表已經廣泛應用于白色家電、醫(yī)療電子、消費類電子，汽車電子和充氣設備等領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計的高精度、低功耗的信號調理集成電路。JHM1203內置了13.2～72X可調的前置放大器，可以適應2～50mV/V傳感器芯體；ADC輸入電壓的偏置可設，可以適應壓力芯體2.5倍滿量程輸出的零點偏差；JHM1203還內置了分辨率為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過JHM1203補償后，可直接輸出標準的壓力和溫度數(shù)據(jù)，方便客戶使用。


2、電路結構

通過圖1可以看出，JHM1203的基本電路為標準的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。


圖片關鍵詞

圖1 基于JHM1203的電路結構


3、電流消耗

JHM1203是專門為低功耗的應用而設計的，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。

電橋
OSR

CAL

溫度
OSR

電流(uA)

×128

B8

×8

105.3012

×64

B9

×8

61.20482

×32

BA

×8

38.55422

×16

BB

×8

27.3494

×8

BC

×8

15.3012

×4

BD

×8

18.6747

×2

BE

×8

17.46988

×1

BF

×8

16.74699

表1 傳感器的實際功耗


4、校準

JHM1203內部集成了數(shù)字信號處理電路，支持2～7點的校準計算，一般來說，校準點數(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1024路傳感器。校準套件的作用是算出補償系數(shù)，寫入調理芯片，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

image.png

圖2 I2C時序圖


2)   啟動一次測量指令

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

image.png

 image.png

圖3 寫指令，啟動一次測量


3)   判斷測量結束的方法

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

判斷從設備傳感器測量結束，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

image.png

圖4 讀狀態(tài)字


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

比特位

意義

描述

Bit7

保留

固定為0

Bit6

上電指示 (Power indication)

1設備上電（VDDB on）；0設備掉電

Bit5

忙閑指示(Busy indication)

1設備忙，表明最近一次I2C命令所要求讀取的數(shù)據(jù)還未有效。如果設備忙，新的命令將不被處理。

0表明最近一次I2C命令所要求讀取的數(shù)據(jù)已經準備好被讀取

Bit4

保留

固定為0

Bit[3]

工作狀態(tài) (Mode Status)

0      NOR mode

1  CMD mode

Bit2

存儲器數(shù)據(jù)完整性指示

(Memory integrity/error flag)

0表示OTP存儲器數(shù)據(jù)完整性測試 (CRC)通過，

1表示完整性測試失敗。

對數(shù)據(jù)完整性的測試只在上電過程中(POR)計算一次，所以被寫入的新CRC值只能在接下來的POR之后使用。

Bit1

保留

固定為0

Bit0

保留

固定為0

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”；測量結束后，EOC變?yōu)楦唠娖健?/span>1”。

 

4)讀取壓力數(shù)值

image.png圖5 I2C讀出5個字節(jié)校準后的電橋和溫度值


0xF1表示默認的7bits I2C傳感器從機設備地址為0x78，最后1bit 為1表示主設備MCU對從設備進行讀操作，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確的壓力數(shù)據(jù)。

圖片關鍵詞


Pressure：實際壓力值； Dtest：傳感器的數(shù)字輸出值； PMIN：傳感器零點壓力值； PMAX：傳感器滿量程壓力值；DMIN：傳感器零點時對應的數(shù)字輸出值；DMAX：傳感器滿量程時對應的數(shù)字輸出值。

 

7、換算舉例  

    讀到校準數(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讀到的校準數(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表明設備非忙，可以讀取數(shù)據(jù)。關于狀態(tài)字各比特的詳細描述請參見附錄。

    0x9B  0xB0  0xC5 三個字節(jié)為電橋校準值

    0x56  0xAA  兩個字節(jié)為溫度校準值

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

   本次計算假設校準時使用的量程為20Kpa-120Kpa，對應的AD輸出為1677722~15099494（10%AD~90%AD）

   根據(jù)P2輸入輸出關系校準公式得到：

實際壓力值=（120-20）/（15099494-1677722）*（10203333-1677722）+20=83.5208 Kpa

   溫度校準值換算：將0x56  0xAA 轉換為十進制數(shù)為22186，由于讀取到的校準數(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%

 溫度的校準范圍規(guī)定為-40℃—150℃  所以校準值=（150—（-40））*33.85%—40=24.32℃

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

 

8、典型應用電路

1)   基本應用電路

image.png

圖6 JHM1203的基本應用電路

 

使用基本應用電路可以設計一些小體積、高精度、高性價比的應用，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

 

 

image.png

圖7 JHM1203的低功耗恒流激勵電路


對于擴散硅芯體的應用，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廠家隨機抽選。這兩只傳感器在-20～60℃溫區(qū)內可以達到0.1%FS的精度。

 

溫度（℃）

正行程（Mpa）

反行程（Mpa）

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

60

10.000

26.007

42.000

58.000

74.002

89.993

89.994

73.994

57.996

41.998

25.997

9.999

40

9.992

25.998

41.993

58.001

74.002

90.001

89.990

73.992

57.986

41.991

25.991

9.984

20

10.013

26.019

42.015

58.010

74.003

89.997

89.992

73.998

58.003

42.002

26.013

10.006

0

10.016

26.025

42.012

57.999

73.983

89.960

89.964

73.973

57.980

41.989

26.004

10.009

-20

10.023

26.028

42.033

58.031

74.028

90.009

90.006

74.015

58.005

42.008

26.013

10.010

表1 低功耗恒流激勵電路實測數(shù)據(jù)1

 

溫度（℃）

正行程（Mpa）

反行程（Mpa）

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

60

10.005

26.001

41.994

57.996

74.001

90.010

90.005

73.999

57.996

41.994

25.999

10.003

40

10.005

26.017

42.025

58.034

74.051

90.055

90.050

74.050

58.036

42.021

26.015

10.008

20

10.019

26.024

42.029

58.024

74.023

90.018

90.017

74.032

58.019

42.030

26.022

10.017

0

10.027

26.027

42.013

58.000

73.980

89.955

89.967

73.992

57.995

42.013

26.030

10.026

-20

10.006

26.018

42.030

58.014

74.023

89.987

89.985

74.012

58.010

42.019

26.021

10.009

表2 低功耗恒流激勵電路實測數(shù)據(jù)2

 


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