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。
 

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。
 

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。

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。

表1 傳感器的實際功耗

 

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。
 

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 

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。

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

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。

表2 低功耗恒流激勵電路實測數據2

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  

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。
 

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。
 

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。
 

1)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

 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。