数字传感器MPXY8020A与MSP430的接口设计

2006-09-26 14:51:50来源: 单片机及嵌入式系统应用

1 概述
  MPXY8020A是摩托罗拉公司于2003年推出的汽车轮胎气压监测传感器。其内部集成了气压传感器、温度传感器和数字接口电路,8引脚SSOP封装;能承受的最大气压为1400MPa。MPXY8020A的功耗比较低,特别适用于轮胎气压和温度监测系统,能和摩托罗拉的无线遥控开锁系统集成在一起,组成低成本、高集成度的系统。此外,MPXY8020A还可应用于其他气压和温度监测系统中。

2 片内结构
  MPXY8020A的功能结构如图1所示。气压信号的采样由电容式传感器完成,温度信号的采样由薄膜电阻完成,此外,片内集成了数字接口电路。整个传感器采用硅CMOS工艺加工而成[1]。


  气压信号的采样分两步完成:首先是把采样电容上的信号转换为电压信号,然后用开关式电容放大器对信号进行放大,以提高采样的准确度。电容放大器带有温度补偿电路,采样偏移量可调,并且可以通过在EEPROM寄存器中写入校正值进行采样信号的校正。气压信号值的大小通过电压比较器确定。在气压转换前,外部微控制器通过MPXY8020A的数字接口输入8位极限值。片内8位DAC(数模转换器)把该值转换成相应的模拟电压,电压比较器把采样的电压值与该值进行比较,在OUT引脚输出比较后的结果。当采样值高于输入值时,OUT引脚为高电平;反之,为低电平。温度信号的采样由带有正温度系数的薄膜电阻完成。由图1可见,通过2路开关,可选择传感器工作于气压采样状态或温度采样状态。温度信号的采样过程与气压信号的采样过程相似。

  在MPXY8020A片内,集成了1个低频率、低功率的5.4 kHz晶体振荡器,1个14级的分频器。通过14级分频,可在OUT引脚得到周期性(一般3 s)的输出信号。该信号还可以用作微控制器的中断源。此外,MPXY8020A片内还集成了1个10级的分频器,通过该分频器,传感器可每隔52 min使外部微控制器复位1次,以防程序长时间跑飞。为了节能,可通过MPXY8020A的引脚,控制其工作于不同的工作状态。

3 引脚功能及工作方式
3.1 引脚功能

  MPXY8020A的各个引脚如表1所列。MPXY8020A的片内电路通过引脚VDD(正电平)和引脚VSS(地)供电。在VDD与VSS之间,通常接1个0.1 ?F的电容进行电源滤波。OUT引脚在采样值高于电压比较器的极限值时,输出1;反之输出0。电压比较器的极限值由外部微控制器通过数字接口输入到MPXY8020A片内的8位DAC寄存器。当MPXYS020A工作于空闲状态时,OUT引脚被置高,直到14级分频器发生溢出时,该引脚输出一个负脉冲。RST引脚通常被置为高电平;当1O级分频器发生溢出时,被置为低电平。这个引脚通常用于使外部微控制器复位。10级分频器的溢出周期为52 min,这跟MPXY8020A的工作状态无关。S0和S1引脚一起,用于工作方式选择。在设置电压比较器的极限值时,DATA引脚为串行数据输入引脚。CLK引脚用于提供串行读写数据的时钟。向MPXY8020A写数据时,在CLK引脚信号的上升沿,串行数据从DATA引脚按时序送到片内移位寄存器,在CLK引脚信号的第8个下降沿,数据被送到片内D/A寄存器。S0、S1、DATA和CLK四个引脚都内置了施密特触发器,以提高芯片的抗干扰性,并且这四个引脚都内置了下拉电阻,所以当它们被悬空时,都为低电平。

3.2工作方式
  MPXY8020A有4种工作方式,其工作于哪种工作方式由S1和S0引脚的电平来决定,如表2所列。只要VDD引脚有足够的供电电压,不管MPXY8020A工作于何种工作方式,其内部的多路开关、D/A寄存器、低频振荡器和输出脉冲分频器都处于激活状态。需要注意的是,无论MPXY8020A工作于气压采样方式还是温度采样方式,所有的EEPROM位都处于激活状态。如果为了节能而把VDD引脚置为低电平,有必要把所有引脚的电平都置为低电平,以免MPXY8020A被误激活。


4 MPXY8020A与MSP430F1232的接口
4.1接口电路

  MPXY8020A传感器和MSP430F1232的接口电路如图2所示。其中的串行通信SPI是靠CLK和DATA引脚实现的。传感器在CLK引脚信号的上升沿读取DATA的1位数据,连续8位为1个周期。对于不具备SPI接口的微控制器,可以通过I/O口软件仿真的方式实现通信。本系统中,通过MSP430F1232的I/O口软件仿真SPI,实现采样极限值的设置。

4.2 软件设计
4.2.1 给MPXY8020A发送1字节数据

  在给MPXY8020A设置气压和温度采样极限值时,极限值以字节为单位发送给MPXY8020A。我们编写了一个向MPXY8020A发送1字节数据的函数,方便于系统中重复调用,该函数的代码如下[2]:

void MPXY8020A_sendByte(uchar MPXY8020A_data){
uchar i;
P3DIR |=mpxy8020_clk+mpxy8020_dat;
//CLK和DAT引脚为输出
Delay650us();
P30UT&=~mpxy8020_clk; //CLK引脚清0
for(i=0;i<8;i++){
if((MPXY8020A_data&BIT7)=BIT7)f
//高位在前
P3OUT |=mpxy8020_dat; //OUT引脚置1
else{
P3OUT &= ~mpxy8020_dat //OUT引脚清0
}
P3OUT |=mpxy8020_clk; //CLK引脚置1
Dday20us(1);
P30UT&=~mpxy8020_clk; //CLK引脚清0
Delay20us(1)。
MPXY8020A_data=MPXY8020A_data<<1;
//左移1位
}

4. 2. 2温度和气压数据的读取

  获取MPXY8020A传感器气压和温度数据的方法有逐次逼近法和报警值检查法。逐次逼近法能够获得8位精度的转换结果,但需要较长的转换时间和消耗较多的电能。报警值检查法是预先设置一个气压或温度的报警值,然后监测OUT引脚的电平来确定气压和温度值是否超过报警值。这是一种低功耗模式,在不需要知道准确的气压/温度值时,可采用这种工作方式。本系统中采用的是逐次逼近法。

  MPXYS020A传感器利用外部的MSP430F1232作为逐次逼近程序的控制器,MSP430F1232将猜测的极限值通过SPI接口串行地发送到传感器的DAR(数/模转换寄存器)。器件内DAR将此猜测值变为模拟值,并与待测的气压值比较,通过OUT引脚给出比较后的结果。每次比较需用64个时钟周期。例如:第1次猜测值为0x80,如果检测OUT脚为高电平,则说明气压值大于0x80,MSP430F1232通过SPI再送人0xC0,检测OUT引脚的状态,如果这次OUT引脚是低电平,说明气压在0x80和0xC0之间,重复这样的过程,直到逼近近似值。整个过程类似对分搜索,首先,取全量程值的一半作为第1个猜测值,并送人数/模转换寄存器,然后监测传感器OUT引脚的输出状态。若OUT引脚的输出为“低”,说明猜测值太大或者和取样值接近;若OUT引脚的输出保持“高”,则说明猜测值太小。转换结果寄存器作为一个变量由MSP430F135实时修改。如果猜测值太小,结果寄存器的最低位置“1”;如果猜测值太大,结果寄存器的最低位置“0”,使用新的猜测值继续逼近,直到得到最终结果。

  用逐次逼近的方法读取MPXY8020A温度数据的程序代码如下:
void MPXY8020A_temperature_sample(void){
uchar MPXY8020A_temp=0;
P3D1R&=~mpxy8020_ut; //INPUT
MPXY8020A_temp=BIT7;//N始值为128,即位7=1
MPXY8020A_standby_state(); //待机模式
MPXY8020A__sendByte(MPXY8020A_Xemp);
//发送极限值
MPXYS020A_temperature_state(); //测量温度模式
MPXY8020A_output_state(); //读数据模式
if((P31N&mpxy8020_out)==mpxy8020_out){
//比较OUT引脚是否为1
MPXYS020A_temp |=BIT6; //位6=1
}
else{
MPXY8020A_temp&=~B1T7;//位7=0
MPXY8020A_temp |=BIT6; //位6=1
://省略部分为从位6到位1的重复逼近的程序,其c
//代码与位7的相似
MPXY8020A_standby_state(); //待机模式
MPXY8020A_sendByte(MPXY8020A_temp);
//发送极限值
MPXY8020A_temperature_state(); //测量温度模式
MPXY8020A_output_state(); //读数据模式
if((P3IN&mpxy8020_out)==mpxy8020_out)
//比较OUT引脚是否为1
{}
else{
MPXY8020A_temp&=~BITO;//位0=0
}
temperature=MPXY8020A_temp;
//用全局变量储存采样值

  读取MPXY8020A气压数据的函数代码与读取温度的函数相似。限于篇幅,本文不再细述。

4.2.3温度和气压数据的转换

(1)温度数据的转换
  根据表3,可以把温度采样值转换为实际温度值。实际温度值的单位为℃。众所周知,单片机浮点数的处理能力不强,因此,为了便于单片机进行运算和保留更高的准确度,对转换后的实际温度值放大了100倍。例如,1501对应于15.01℃。

  当采样温度值小于-40℃对应的值时,按0.8℃/位的变化率进行计算。温度采样值小于25℃对应的采样值时,以上限为基准进行计算,因为其上限出现的机率更大,这样得出的结果误差会小些;当采样温度值大于25℃对应的采样值时,以下限为基准进行计算,因为下限出现的机率更大。比如,采样值介于25℃对应的采样值和70℃对应的采样值之间,则以25℃为基准。


(2)气压数据的转换
  MPXY8020A测量的气压范围约为0~600 kPa,测得的值与气压之间的转换关系由下式给出:P=2.5×Output±气压误差式中,Output为测量得到的值(在0~255之间),气压误差由MPXY8020A的数据手册给出(将在下一节中讨论);P为转换后的气压值,单位为kPa。

4.2.4气压数据的误差处理

  MPXY8020A所测得的气压是存在误差的,并且,在不同的温度区间、不同的工作电压、不同的气压的情况下,其误差也不一样。MPXY8020A的气压误差由其数据手册给出,表4列出其在250 kPa~450 kPa气压区间下的误差值。

  由表4可以看出,阴影部分的误差较小。当电压低于2.5 V或者温度过低或者温度过高的情况下,所测得的温差比较大。为了减小测量误差,MPXY8020A应工作于2.5~3.3 V的电压区间。

  由于各个传感器的误差不尽相同,因此,可以通过实际测量得出其具体的气压误差,然后再在程序中加上或者减去这个误差值,这样所得出的气压值就更加接近真实值。此外,也可以通过分段多次测量的方法,得到更好的测量结果。


结 论
  MPXY8020A为数字式气压和温度传感器,体积小、接口简单、工作稳定可靠、功耗小;适用于对体积要求比较高的气压和温度测量系统,尤其适用于无线汽车轮胎气压监测系统。本设计已应用于某无线汽车轮胎气压监测系统中,经实践证明使用效果良好。

关键字:采样  气压  极限值

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/others/200609/6248.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
采样
气压
极限值

小广播

About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新更新 手机版

站点相关: 安防电子 医疗电子 工业控制

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved