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。

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

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。

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

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。

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

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。

Pressure：实际压力值； D_test：传感器的数字输出值； P_MIN：传感器零点压力值； P_MAX：传感器满量程压力值；D_MIN：传感器零点时对应的数字输出值；D_MAX：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

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

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。

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