JHM1203在I2C信号输出压力传感器上的应用

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。
 

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。
 

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。

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。

表1 传感器的实际功耗

 

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。
 

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。
 

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。
 

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。
 

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。