JHM1203在I2C信号输出压力传感器上的应用

2021-01-15 18:20:25 1670

JHM1203在I2C信号输出压力传感器上的应用

刘海军 2021-1-10

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。


图片关键词

图1 基于JHM1203的电路结构


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。

电桥
OSR

CAL

温度
OSR

电流(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 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

image.png

图2 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。

image.png

 image.png

图3 写指令，启动一次测量


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

image.png

图4 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。

比特位

意义

描述

Bit7

保留

固定为0

Bit6

上电指示 (Power indication)

1设备上电（VDDB on）；0设备掉电

Bit5

忙闲指示(Busy indication)

1设备忙，表明最近一次I2C命令所要求读取的数据还未有效。如果设备忙，新的命令将不被处理。

0表明最近一次I2C命令所要求读取的数据已经准备好被读取

Bit4

保留

固定为0

Bit[3]

工作状态 (Mode Status)

0      NOR mode

1  CMD mode

Bit2

存储器数据完整性指示

(Memory integrity/error flag)

0表示OTP存储器数据完整性测试 (CRC)通过，

1表示完整性测试失败。

对数据完整性的测试只在上电过程中(POR)计算一次，所以被写入的新CRC值只能在接下来的POR之后使用。

Bit1

保留

固定为0

Bit0

保留

固定为0

表2 状态字的比特位描述


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

image.png图5 I2C读出5个字节校准后的电桥和温度值


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。

图片关键词


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：

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

image.png

图6 JHM1203的基本应用电路

 

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

 

 

image.png

图7 JHM1203的低功耗恒流激励电路


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。

 

温度（℃）

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 低功耗恒流激励电路实测数据1

 

温度（℃）

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 低功耗恒流激励电路实测数据2

 


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