1. Особливості реалізації датчика тиску DPS310XTSA1
2. Технічні характеристики DPS310XTSA1
3. Технічні особливості застосування: регістри, програмування, режими, використання калібрувальних коефіцієнтів...
4. Налагодження кошти для DPS310
5. висновок
6. література
7. Про компанії Infineon

Ємнісні датчики атмосферного тиску DPS310 виробництва Infineon відрізняються підвищеною точністю вимірювань і продуктивністю. Вони призначені для застосування в рішеннях для навігації усередині і поза приміщеннями, в портативних пристроях для охорони здоров'я та фітнесу, в метеостанціях і електронних барометрах, в тому числі - на батарейках.

Одна з найцікавіших завдань в області автоматизації вимірювань - перетворення неелектричних величин, наприклад, температури, інтенсивності світла, тиску, ваги, в електричні - напруга або струм. Це дозволяє електронного пристрою реагувати на події реального світу без участі людини.

Тиск газу є однією з основних вимірюваних величин.

Найпопулярніша область застосування датчиків тиску - вимір атмосферного тиску для отримання метеорологічних даних. Як інші приклади застосування можна привести вимірювання швидкості повітряних потоків, абсолютної або відносної висоти.

Кожна з областей застосування володіє власною специфікою. Наприклад, для вимірювання атмосферного тиску некритична швидкість отримання даних, так як значення цієї величини змінюється порівняно повільно. Вимірювання швидкості потоку і висоти вимагають більш високої швидкості. Більш того, дані вимірювання супроводжуються досить сильними шумами за рахунок виникаючих турбулентності або через нестаціонарності протікання самих процесів.

Мал. 1. Типова структурна схема резистивного чутливого елемента датчиків тиску [1]

Якщо розглядати ринок інтегральних датчиків тиску, в тому числі МЕМС, то найчастіше їх чутливим елементом є тензорезистивного сенсор, як правило, в складі мостової схеми (рисунок 1).

Основними недоліками даного типу сенсорів є нелінійна температурна залежність, досить складні алгоритми стабілізації режиму роботи і термокомпенсации.

Особливості реалізації датчика тиску DPS310XTSA1

Компанія Infineon пропонує МЕМС-датчики атмосферного тиску серії DPS310 з ємнісним сенсором [2, 3]. Структурна схема ємнісний вимірювальної осередки представлена ​​на малюнку 2. Вона являє собою ємнісний міст. Вихідний сигнал формується як різниця сигналів опорної і вимірювальних осередків. Завдяки цьому забезпечується краща температурна стабільність і стійкість до шумів. Більш того, місткість схема сенсора має менше споживання, ніж резистивная. Звичайно, і в тому, і в іншому випадку струми, що протікають через вимірювальну комірку, невеликі, але для пристроїв з батарейним харчуванням, націленим на тривалу роботу, важливий кожен мікроампер.

Мал. 2. Структурна схема ємнісний вимірювальної осередки DPS310 [1]

Другою перевагою ємнісного сенсора є його швидкодія, що в підсумку дозволяє застосовувати датчики на його основі для відстеження динамічних процессов.Архітектура датчиків тиску серії DPS310 розрахована на отримання даних більш високої точності і на високу продуктивність вимірювань в різних умовах роботи. Кожен датчик в процесі виробництва індивідуально калибруется, і калібрувальні коефіцієнти заносяться в ПЗУ мікросхеми.В склад DPS310 входять місткість вимірювальна осередок, датчик температури, 24-бітний АЦП, блок цифрової обробки сигналів, пам'ять калібрувальних коефіцієнтів, FIFO-буфер для зберігання результатів вимірювань, інтерфейсний блок, а також вбудований стабілізатор напруги (рисунок 3) [3].

Мал. 3. Структурна схема датчиків серії DPS310

FIFO-буфер може зберігати до 32 результатів вимірювань, що знижує витратність процедури опитування датчика з боку хост-контролера. Про закінчення результатів вимірювань можна дізнатися по виставленому біту в регістрі статусу або по зміні рівня на зовнішньому виводі SDO. Взаємодія з хост-контролером здійснюється за інтерфейсів I²C або SPI.

Технічні характеристики DPS310XTSA1

DPS310 випускаються в восьмівиводном компактному низкопрофильном корпусі поверхневого монтажу LGA [4] розміру 2,0 × 2,5 × 1,0 мм з кроком 0,65 (малюнок 4), що робить його привабливим для застосування в складі мобільних і переносних пристроїв [3 ].

Мал. 4. Зовнішній вигляд датчиків тиску серії DPS310 і розташування висновків

Основні технічні характеристики [2, 3]:

• робочий діапазон: тиск 300 ... 1200 гПа, температура -40 ... 85 ° C;
• точність вимірювання тиску: ± 0,005 гПа або ± 0,05 м (режим високої точності);
• відносна похибка: ± 0,06 гПа або ± 0,5 м;
• абсолютна похибка: ± 1 гПа (або ± 8 м);
• точність вимірювання температури: ± 0,5 ° C;
• температурна чутливість по вимірюванню тиску: 0,5 Па / K;
• час вимірювання: типове значення: 27,6 мс для стандартного режиму (16 x), мінімум: 3,6 мс для режиму низької точності;
• середнє споживання струму: 1,7 мкА для вимірювання тиску, 1,5 мкA для вимірювання температури (@ частота дискретизації 1 Гц), в режимі очікування: 0,5 мкА;
• напруга живлення: VDD 1,7 ... 3,6 В; VDDIO 1,2 ... 3,6 В;
• режими роботи: командний (ручний), фоновий (автоматичний), режим очікування;
• калібрування: індивідуально калибруется зі збереженням коефіцієнтів в ПЗУ для корекції вимірювань;
• FIFO: зберігає до 32 вимірювань тиску або температури;
• інтерфейс: I²C і SPI (обидва з можливістю переривання);
• 8-контактний корпус LGA 2,0х2,5х1,0 мм.

Типові рівні струму споживання представлені в таблиці 1. З неї видно, що пікове споживання в моменти вимірів не перевищує 350 мкА, а середнє споживання струму навіть в режимі з найбільшою точністю - менше 40 мкА.

Таблиця 1. Типові рівні струму споживання DPS310 в різних режимах роботи (напруга живлення 1,8 В) [3]

Значення, мкА Опис Піковий струм споживання, Ipeak 345 В процесі вимірювання тиску 280 При вимірювання температури Струм споживання в черговому режимі, ISTBY 0,5 Стан після подачі живлення Середній струм споживання при частоті вимірювань 1 Гц, I1Hz 2,1 Знижена точність 11 Стандартні настройки 38 Максимальна точність

Широкий діапазон допустимих напруг живлення дозволяє застосовувати DPS310 в зв'язці з процесорами мобільних пристроїв, що мають, як правило, напруги живлення 1,8 В, а також з мікроконтролерами, які працюють, в основному, з напругою живлення 3,3 В.

Технічні особливості застосування: регістри, програмування, режими, використання калібрувальних коефіцієнтів

Підключення датчика до хост-контролера здійснюється досить просто і не повинно викликати особливих проблем. Взаємодія з DPS310 можливо або по I²C- або по SPI-інтерфейсів. Типова схема включення датчика вимагає всього пари конденсаторів за висновками харчування, і в тому випадку, якщо використовується I²С-інтерфейс - підтягує резистори на лінії SDA і SCL. Вибір інтерфейсу відбувається за рівнем на лінії CSB: при високому рівні активний I²C, при низькому - SPI. Після подачі низького рівня на CSB відбувається перехід на SPI-інтерфейс до моменту повторної ініціалізації датчика при включенні (до події Power-on-Reset).

Типова схема підключення DPS310 по I²C-інтерфейсу представлена ​​на малюнку 5. Підтримуються стандартний, швидкий і високошвидкісний режими роботи шини.

Мал. 5. Типова схема підключення DPS310 по I2C-інтерфейсу [3]

Висновок SDO може бути використаний або для завдання молодшого біта адреси пристрою на I²C-шині (вибір проводиться між адресою 0x76 - SDO підключений до загального проводу або 0x77 - SDO підтягнутий до харчування або вільний), або для подачі сигналу прериванія.Подключеніе по SPI передбачає кілька варіантів: класичне 4-провідне, 3-дротове і 3-дротове з сигналом переривання (рисунок 6). Підтримуються команди читання-запису одиночного байта, а також читання послідовності байтів з певного адреси.

DPS310 підтримує три режими роботи: черговий, командний і фоновий [3].

Черговий - режим за замовчуванням, пристрій знаходиться в ньому після подачі живлення або скидання. Вимірювань в даному режимі не проводиться, для настройки доступні всі регістри і калібрувальні коефіцієнти.

Командний режим передбачає проведення одиночного вимірювання тиску або температури до обраної точністю. Після закінчення вимірювання датчик переходить в черговий режим, а результат вимірювання доступний в регістрах даних.

У фоновому режимі проводяться вимірювання тиску і / або температури зі встановленою точністю і частотою (в залежності від налаштувань). Вимірювання температури слідують відразу ж за вимірюванням тиску. Результати записуються в FIFO-буфер і доступні для хост-контролера шляхом читання регістра даних.

Струм, споживаний DPS310, невеликий у всіх режимах роботи. Можлива організація схеми живлення датчика і управління нею від виведення мікроконтролера. Однак, з огляду на досить великий час переходу в робочий стан після подачі живлення, що становить 40 мс, і незначне споживання в черговому режимі, навряд чи це є доцільним.

Управління датчиком досить просте і полягає в налагодженні декількох регістрів. Самих регістрів в DPS310 відносно небагато (таблиця 2) [3].

Таблиця 2. Карта регістрів датчиків DPS310

Ім'я регістра Адреса Опис PSR_B [2: 0] 0x00-0x02 Значення тиску в додатковому коді TMP_B [2: 0] 0x03-0x06 Значення температури в додатковому коді PRS_CFG 0x06 Регістр конфігурації частоти опитування датчика тиску і точності результатів TMP_CFG 0x07 Регістр конфігурації частоти опитування датчика температури і точності результатів MEAS_CFG 0x08 Регістр настройки режимів роботи і статусу пристрою CFG_REG 0x09 Регістр конфігурації переривань, FIFO і SPI-інтерфейсу INT_STS 0x0A Регістр індикації прапорів переривань (готовність результатів, переповнення FIFO) FIFO_STS 0x0B Регістр статусу FIFO RE SET 0x0C Регістр примусового очищення FIFO-буфера і ініціалізації програмного скидання Product_ID 0x0D Ідентифікатор продукту COEF 0x10-0x21 Масив калібрувальних коефіцієнтів для обчислення поправки до показань датчика тиску і температури COEF_SRCE 0x28 Інформаційний регістр вказівки джерела поправочних коефіцієнтів

Алгоритм роботи з DPS310 полягає в наступному [3]:

• зчитуються значення поправочних коефіцієнтів для тиску і температури (читання регістрів COEF);
• налаштовуються параметри роботи датчика тиску (запис в PRS_CFG);
• налаштовуються параметри роботи датчика температури (запис в TMP_CFG);
• налаштовуються переривання і робота FIFO (запис CFG_REG);
• налаштовується режим роботи (запис в MEAS_CFG);
• зчитуються показання температури, враховуються поправки (читання TMP_B [2: 0]);
• зчитуються показання тиску, враховуються поправки (читання регістрів PSR_B [2: 0]);
• в залежності від програми та налаштувань можливо циклічне повторення пунктів 5 ... 7 або тільки 6 ... 7.

При включеному FIFO дані зчитуються тільки з регістрів PSR_B [2: 0].

Процес обліку поправок для коригування значень тиску і температури складається з декількох етапів.

Зчитуються поправочні коефіцієнти, всього їх дев'ять: c0, c1, c00, c10, c20, c30, c01, c11 і c21 (значення представлені в додатковому коді і мають різну розрядність).

Лічені показання тиску Praw і температури Traw масштабируются в залежності від поточних налаштувань точності вимірювань:

(1)

(2)

Компенсовані значення температури і тиску обчислюються за формулами 3 і 4:

(3)

(4)

Слід звертати увагу, що всі значення представлені в додатковому коді, і:

• деякі коефіцієнти - 12-бітові;
• ряд коефіцієнтів - 16-бітові значення;
• зчитувальні значення тиску і температури - 24-бітові значення.

При деяких режимах роботи показання температури можуть не оновлюватися, це прискорює сам процес вимірювань, кілька знижує споживання струму і час перерахунку. Слід пам'ятати, що при цьому можлива поява похибок при отриманні компенсованого значення тиску, так як при його розрахунку доведеться задіяти попередні (можливо застарілі) показники температури.

Цікава також особливість роботи FIFO - в тому випадку, якщо його робота дозволена, одержувані значення вимірювань будуть записуватися в нього, а останні не лічені значення будуть доступні через регістри тиску - PSR_B [2: 0]. У FIFO спільно пишуться дані і тиску, і температури - молодший біт 24-бітного значення буде вказувати на його приналежність до показань тиску або температури. Вичерпання FIFO буде відповідати лічений значення 0x800000.

Налагодження кошти для DPS310

Мал. 7. Інфраструктура демонстраційних і налагоджувальних засобів для DPS310 [6]

Серія DPS310 насамперед орієнтована на ринок побутової електроніки [1, 5]. Для зменшення часу виведення продукту на ринок і спрощення макетування нових пристроїв компанія Infineon пропонує ряд апаратних і програмних засобів. Інфраструктура налагоджувальних засобів Infineon для DPS310 включає в себе демонстраційні плати Infineon Wireless Sensor Hub 2.0, Infineon Sensor Hub Nano, програмні продукти SES2G Sensor evaluation software і Infineon pressure sensor android App (рисунок 7) [6].

Infineon Wireless Sensor Hub 2.0 (рисунок 7) за допомогою SPI-інтерфейсу і двох шин I²C дозволяє підключати до 12 датчиків DPS310. Підтримуються режими автономної роботи із записом даних на SD-карту, а також підключення до хост-комп'ютера за допомогою USB або Bluetooth для передачі даних в реальному времені.Infineon Sensor Hub Nano (рисунок 8) являє собою невелику плату розмірами всього 30х15х10 мм з автономним живленням і Bluetooth-інтерфейсом. Дана плата дозволяє протестувати можливі сценарії застосування DPS310 на таких об'єктах, що рухаються як, наприклад, макет якого носило фітнес-пристрої або частина системи управління дроном.

Мал. 8. Зовнішній вигляд отладочного набору Infineon DPS310 sensor hub [6]

Програмне забезпечення Infineon SES2G sensor software analyzer дозволяє з персонального комп'ютера проводити настройку датчиків, підключених до демонстраційних платам, отримання, запис, аналіз та експорт данних.Аналогічние завдання виконує і Infineon Pressure Sensor Android App, з тією лише різницею, що воно призначене для мобільних пристроїв на базі ОС Android.

висновок

Новий цифровий датчик тиску Infineon DPS310 здатний вимірювати атмосферний тиск з високою точністю, що дозволяє використовувати його в висотоміра з роздільною здатністю до 5 см. DPS310 видає також значення температури з похибкою не більше ± 0,5 ° C, що дає можливість з успіхом застосовувати його в вимірювальному блоці метеостанції. Завдяки дуже малому споживаному струму в 1,7 мкА і мініатюрним розмірам мікросхему можна застосовувати в портативної батарейній апаратурі.

Типові цільові області застосування:

• навігація всередині приміщень (визначення поверху і висоти);
• фітнес та спорт (лічильники кроків, трекери, монітори навантажень);
• навігація поза приміщеннями (допоміжні та основні системи стабілізації і визначення висоти польоту дронів);
• метеостанції і домашні барометри;
• детектори витоків в системах жорстких дисків.

література

1. AN510 - Barometric pressure sensor and use cases. http://www.infineon.com/.
2. DPS310 - цифровий барометричний датчик тиску - висотомір .
3. DPS310 - Digital Pressure Sensor Digital Barometric Pressure Sensor for Portable Devices. www.infineon.com/ .
4. Packages - Infineon Technologies. www.infineon.com/ .
5. Sampo Härkönen. Capacitive technology can handle the pressure Low-power, high-accuracy pressure sensing for battery-powered and wearable devices. www.infineon.com/ .
6. Infineon DPS310 pressure sensor evaluation environment. www.infineon.com/ .

Групи товарів: автоматика

Про компанії Infineon

Компанія Infineon є світовим лідером з виробництва силових напівпровідникових компонентів, а також займає провідні позиції з виробництва автомобільної напівпровідникової електроніки і смарт-карт. У 2015 році компанія Infineon придбала компанію International Rectifier, тим самим значно посиливши свої лідируючі позиції в області силової електроніки. Це поєднання відкриває нові можливості для клієнтів, так як обидві компанії чудово доповнюють один одного завдяки високому рівню ... читати далі