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            JHM1203在I2C信號輸出壓力傳感器上的應用

            2021-01-15 18:20:25 248

            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端在采集壓力數據時無需算法即可得到高精度的標準的壓力數據。搭配數字校準板及上位機軟件,就可以實現單路及批量的溫度補償和校準?;?/span>JHM1203設計的壓力傳感器及儀表已經廣泛應用于白色家電、醫療電子、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13.272X可調的前置放大器,可以適應250mV/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,NOB20bit。

            和普通ADC不同的是,JHM1203內置了數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),掉電后仍可保存傳感器的補償系數。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據,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1.83.6V可以和絕大多數的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。實測數據見表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內部集成了數字信號處理電路,支持27點的校準計算,一般來說,校準點數越多得到的壓力和溫度的數據精度越好。北京久好專門為JHM1203開發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,寫入調理芯片,完成補償過程。北京久好同時也提供JHM1203的動態鏈接庫,方便客戶開發校準系統。


            5、I2C通信

            以下通信指令以JHM1203的默認I2C地址(0X78)舉例,JHM1203I2C地址可以通過寫OTP修改。

            1)   I2C時序圖

            image.png

            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 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

            3 寫指令,啟動一次測量


            3)   判斷測量結束的方法

            發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,再發讀命令讀取測量數據。

            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——讀狀態字

            image.png

            4 讀狀態字


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

            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據還未有效。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據已經準備好被讀取

            Bit4

            保留

            固定為0

            Bit[3]

            工作狀態 (Mode Status)

            0      NOR mode

            1  CMD mode

            Bit2

            存儲器數據完整性指示

            (Memory integrity/error flag)

            0表示OTP存儲器數據完整性測試 (CRC)通過,

            1表示完整性測試失敗。

            對數據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

            2 狀態字的比特位描


            b)
            硬件判斷法——EOC識別或中斷

            啟動測量后,EOC變為低電平“0”;測量結束后,EOC變為高電平“1”。

             

            4)讀取壓力數值

            image.png5 I2C讀出5個字節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 1表示主設備MCU對從設備進行讀操作,讀取的第一個字節為狀態字,接著讀取的是三個字節的壓力數值。

             

            6、輸入輸出關系

            MCU端接收到JHM1203返回的數據后,通過以下公式可得到準確的壓力數據。

            圖片關鍵詞


            Pressure:實際壓力值; Dtest傳感器的數字輸出值; 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字輸出值;DMAX傳感器滿量程時對應的數字輸出值。

             

            7、換算舉例  

                讀到校準數據后,需要將以AD值形式表示的無符號數進行簡單的換算。  

            為方便理解我們假設讀到的校準數據為:0x04  0x9B  0xB0  0xC5  0x56  0xAA 

                0x04為狀態字   Bit51表明最近一次I2C忙,需要等待一段時間。如果Bit50表明設備非忙,可以讀取數據。關于狀態字各比特的詳細描述請參見附錄。

                0x9B  0xB0  0xC5 三個字節為電橋校準值

                0x56  0xAA  兩個字節為溫度校準值

            電橋校準值換算0x9B  0xB0  0xC5轉換為十進制數為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1677722~1509949410%AD~90%AD

               根據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0x56  0xAA 轉換為十進制數為22186,由于讀取到的校準數據是以百分比形式表示的,這個百分比在數值上等于我們換算得到的十進制數與16bits無符號數的最大值(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的芯體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據,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據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據2

             


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