JHM1203在I2C信號輸出壓力傳感器上的應用
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。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1.8～3.6V可以和絕大多數的MCU兼容。
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 | CAL | 溫度 | 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2～7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，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。
圖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
圖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 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 |
表2 狀態字的比特位描述
b)硬件判斷法——EOC識別或中斷
啟動測量后，EOC變為低電平“0”；測量結束后，EOC變為高電平“1”。
4)讀取壓力數值
圖5 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 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。
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 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：將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1677722~15099494（10%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：將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
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
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
