JHM1203在I2C信号输出压力传感器上的应用

   日期:2021-02-05     来源:久好电子    作者:刘海军    浏览:341    评论:0    
核心提示:本文介绍了北京久好自主研发的传感器信号调理芯片JHM1203在压力传感器上的应用。使用JHM1203为调理芯片的压力传感器,MCU端在采集压力数据时无需算法即可得到高精度的标准的压力数据。
应用简介
本文介绍了北京久好自主研发的传感器信号调理芯片JHM1203在压力传感器上的应用。使用JHM1203为调理芯片的压力传感器,MCU端在采集压力数据时无需算法即可得到高精度的标准的压力数据。搭配数字校准板及上位机软件,就可以实现单路及批量的温度补偿和校准。基于JHM1203设计的压力传感器及仪表已经广泛应用于白色家电、医疗电子、消费类电子,汽车电子和充气设备等领域并取得了很好效果。
 
1 JHM1203介绍
JHM1203是一款针对差分电阻桥式或半桥式传感器信号设计的高精度、低功耗的信号调理集成电路。JHM1203内置了13.2~72X可调的前置放大器,可以适应2~50mV/V传感器芯体;ADC输入电压的偏置可设,可以适应压力芯体2.5倍满量程输出的零点偏差;JHM1203还内置了分辨率为0.003℃的温度传感器,可作为温度测量和温漂补偿使用;JHM1203集成了24bit ΔΣADC,NOB为20bit。
和普通ADC不同的是,JHM1203内置了数字信号处理电路可对传感器的温度漂、零点偏差、灵敏度偏差和非线偏差同时进行最高二阶的补偿;JHM1203片上还集成的一次性可编程存储器(OTP),掉电后仍可保存传感器的补偿系数。压力传感器微小的差分信号经过JHM1203补偿后,可直接输出标准的压力和温度数据,方便客户使用。
 
2 电路结构
通过图1可以看出,JHM1203的基本电路为标准的I2C电路,正常工作仅需要3个外部元件,JHM1203 的供电范围为1.8~3.6V可以和绝大多数的MCU兼容。
 3 电流消耗
JHM1203是专门为低功耗的应用而设计的,它的待机功耗为0.1uA,在包括外部5K桥阻时,1Hz ODR的最小功耗约16..7uA。实测数据见表1。

1 传感器的实际功耗

 
4  校准
JHM1203内部集成了数字信号处理电路,支持2~7点的校准计算,一般来说,校准点数越多得到的压力和温度的数据精度越好。北京久好专门为JHM1203开发了评估套件和批量套件,最多可同时校准1024路传感器。校准套件的作用是算出补偿系数,写入调理芯片,完成补偿过程。北京久好同时也提供JHM1203的动态链接库,方便客户开发校准系统。
 
5  I²C通信
以下通信指令以JHM1203的默认I²C地址(0x78)举例,JHM1203的I²C地址可以通过写OTP修改。
1)I²C时序图 
2)启动一次测量指令
0xF0表示默认的7bits I²C传感器从机设备地址为0x78,最后1bit 为0表示主设备MCU对从设备进行写操作。0xAC为命令字,启动从设备传感器进行一次测量。
3)判断测量结束的方法
发送完写命令后需要等待一段时间,等待从设备传感器测量结束,再发读命令读取测量数据。
判断从设备传感器测量结束,除延时等待外,有以下2种检测方式。
a)软件查询法——读状态字
0xF1表示默认的7bits I²C传感器从机设备地址为0x78,最后1bit 为1表示主设备MCU对从设备进行读操作,读取的第一个字节为状态字。

表2 低功耗恒流激励电路实测数据2

b)硬件判断法——EOC识别或中断
启动测量后,EOC变为低电平“0”;测量结束后,EOC变为高电平“1”。
4)读取压力数值  
0xF1表示默认的7bits I2C传感器从机设备地址为0x78,最后1bit 为1表示主设备MCU对从设备进行读操作,读取的第一个字节为状态字,接着读取的是三个字节的压力数值。
 
6  输入输出关系
MCU端接收到JHM1203返回的数据后,通过以下公式可得到准确的压力数据。
 Pressure:实际压力值; Dtest:传感器的数字输出值; PMIN:传感器零点压力值;PMAX:传感器满量程压力值;DMIN:传感器零点时对应的数字输出值;DMAX:传感器满量程时对应的数字输出值。
 
7  换算举例  
读到校准数据后,需要将以AD值形式表示的无符号数进行简单的换算。  
为方便理解我们假设读到的校准数据为:0x04  0x9B  0xB0  0xC5  0x56  0xAA 
0x04为状态字;Bit5为1表明最近一次I²C忙,需要等待一段时间。如果Bit5为0表明设备非忙,可以读取数据。关于状态字各比特的详细描述请参见附录。0x9B  0xB0  0xC5 三个字节为电桥校准值;
0x56  0xAA  两个字节为温度校准值;
电桥校准值换算:将0x9B  0xB0  0xC5转换为十进制数为10203333;
本次计算假设校准时使用的量程为20Kpa-120Kpa,对应的AD输出为1677722~15099494(10%AD~90%AD)
根据P2输入输出关系校准公式得到:公式1
实际压力值=(120-20)/(15099494-1677722)*(10203333-1677722)+20=83.5208 Kpa
温度校准值换算:将0x56  0xAA 转换为十进制数为22186,由于读取到的校准数据是以百分比形式表示的,这个百分比在数值上等于我们换算得到的十进制数与16bits无符号数的最大值(65535)之比,所以在换算百分比时可进行如下计算:
22186/65536*100%=33.85%
温度的校准范围规定为-40℃—150℃  所以校准值=(150—(-40))*33.85%—40=24.32℃
注释:需要注意的是,温度传感器需校准后方可使用,未校准的温度值为原始值,不具备参考价值。
 
8  典型应用电路
1)基本应用电路
使用基本应用电路可以设计一些小体积、高精度、高性价比的应用,例如高度计、电子烟压力传感器等数字输出模组。
2)低功耗恒流供电电路
 对于扩散硅芯体的应用,使用恒流激励可以降低温漂,同时可以使温漂更线性,温补更容易,补偿后精度更高。对于一些已经做过恒流补偿的芯体甚至免于做耗时的温补。表1、表2是两只温补后压力传感器的测试数据,需要说明的是这两只压力传感器的芯体为不同的生产厂家随机抽选。这两只传感器在-20~60℃温区内可以达到0.1%FS的精度。
表1 低功耗恒流激励电路实测数据1

表2 低功耗恒流激励电路实测数据2

 
 
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