STMicroelectronics Отражающие датчики давления Практическое использование датчиков уровня воды STCP-Motion

Сводная таблица датчиков давления

зователь обеспечивает измерения

давления, перепада давления,

температуры и вычисление массо-

вого расхода, объемного расхода,

расхода тепловой энергии

Диапазон температур окружающей среды, °С

от -51 до 85 (опция)

от -40 до 85

от -20 до 80

(со встроенным индикатором)

Диапазон температур измеряяемой среды, °С

от -40 до 121

от -40 до 149

(с клапанным блоком или

от -75 до 350

(в сборе с выносными

Основная приведенная погрешность, %

±0,04; ±0,025; ±0,055

Основная относительная погрешность, %

перепада давления ±0,04%

расхода до ±0,65%

Диапазон перенастройки пределов измерений

max 200:1 (измерение давления)

max 14:1 (измерение расхода)

12 месяцев (для Classic)

12 лет (для Ultra и Ultra for Flow)

12 лет (для Ultra)

5 лет (для Classic)

10 лет (для Ultra и Ultra for Flow)

Нерж.сталь 316L, Hastelloy (сплав С-276),

Monel (сплав 400), Тантал,

Позолоченный Monel (сплав 400), Позолоченная нерж.сталь 316L

1-5 В/HART (0,8-3,2 В/HART)

Виды исполнений по взрывозащите

Сборка с клапанным блоком

DP Flow решения

DP Level решения

Сборка с выносными

* Обеспечивается типом кабельного ввода.

от -55 до 80 (опция)

от -42 до 70

от -40 до 80

(с встроенным индикатором)

от -40 до120

±0,2 (опция) ±0,5 (опция)

±0,15 (опция) ±0,25 (опция)

2 года/ 5 лет

Rosemount и Метран

20 октября 2021

Александр Калачев (г. Барнаул)

Растет практика применения миниатюрных MEMS-датчиков давления: лабораторные приборы, смартфоны, портативные гаджеты для фитнеса и контроля здоровья. STMicroelectronics производит обширную линейку этих датчиков на базе собственной технологии VENSENS и предлагает экосистему из датчиков разного типа, средств отладки и программных продуктов для работы.

В современных условиях датчики состояния окружающей среды (или климатические датчики) могут использоваться для различных целей.

Первая и очевидная цель – мониторинг и управление микроклиматом здания или отдельных комнат в составе систем вентиляции и кондиционирования. Отдельного внимания заслуживает управление микроклиматом замкнутых объемов, например, транспортных контейнеров, контейнеров рефрижераторов и тому подобного – это может быть критически важным для сохранности грузов.

Не меньший интерес представляют мобильные и носимые устройства. На текущий момент достаточно большое количество мобильных устройств оснащаются климатическими датчиками, позволяющими добавлять новые функции или сервисы в мобильные приложения.

В качестве носимых устройств часто выступают смарт-часы, фитнес браслеты и прочие подобные устройства, ориентированные в основном на спортивные применения и отслеживание физической активности.

От самих датчиков требуются достаточно высокая точность, разрешающая способность, предельно малые габариты и низкое энергопотребление. В ряде случаев требуется также устойчивость к внешним воздействиям.

Датчики давления в системах управления микроклиматом и в мобильных устройствах присутствуют пока нечасто. Тем не менее, налицо явная тенденция к расширению возможных применений. Помимо климатического контроля и отслеживания погодных явлений, сферами применения датчиков давления являются локальное позиционирование – определение высоты, а также учет физической активности.

Датчики давления ST Microelectronics

Сверхмалые кремниевые датчики давления STMicroelectronics используют разработанную ST инновационную технологию VENSENS, позволяющую изготавливать датчик давления на монолитном кремниевом чипе, устраняя в принципе соединения кристалла с сенсорным элементом, повышая тем самым точность и надежность датчика и существенно снижая уровень шумов.

В результате датчики обладают высоким разрешением по давлению и могут быть выполнены в сверхкомпактных и тонких корпусах. Ключевыми особенностями датчиков давления ST MEMS являются:

• встроенная температурная компенсация, которая позволяет приложениям стабильно работать в изменяющихся условиях;
• широкий диапазон абсолютного давления от 260 до 1260 ГПа, охватывающий все возможные высоты (от самых глубоких шахт до вершины Эвереста);
• низкое энергопотребление – менее 4 мкА;
• низкий уровень шума давления – среднеквадратичное значение шума ниже одного паскаля.

Основные интерфейсы взаимодействия с микроконтроллерами (один из вариантов, в зависимости от настроек) – I2C, SPI, у некоторых моделей – MIPI I3C.

Датчики LPS22CH, LPS22HB, LPS22HH, LPS25HB выполнены в низкопрофильных пластиковых корпусах LGA с вентиляционным (HLGA) отверстием для доступа газа к сенсорному элементу (рисунок 1). Данные серии ориентированы на применения в устройствах, не предназначенных для прямого контакта с водой или сильно загрязненными воздушными средами.

Рис. 1. Внешний вид датчиков давления серий LPS22CH, LPS22HB, LPS22HH, LPS25HB

Серия LPS25HB способна работать при повышенных температурах – верхний предел ее рабочей температуры 105°C.

LPS27HHTW, LPS33HW, LPS33K выпускаются в керамических корпусах LGA с переходным металлическим кольцом, заполненным специальным гелем для передачи давления среды сенсорному элементу (рисунок 2). Такой барьер позволяет измерять давление не только в воздухе, но и в жидкостях, что открывает широкий спектр применений, от спортивных часов до контроля уровня жидкостей в промышленных емкостях.

Рис. 2. Внешний вид датчиков давления серий LPS27HHTW, LPS33HW, LPS33K

Таблица 1. Линейка датчиков давления ST Microelectronics

Особенности интеграции датчиков давления в устройство

Интеграция датчиков давления, равно как и датчика температуры, в мобильные и носимые устройства – смартфоны, смарт/спортивные часы, метеостанции или промышленное оборудование – должна осуществляться без ущерба для производительности датчика и точности его показаний. Это несложно, достаточно учитывать ряд рекомендаций и факторы, влияющие на показания датчика.

Для получения надежных и повторяющихся (при совпадении внешних условий) измерений все элементы, участвующие в механической конструкции, должны быть рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить максимальный отклик датчика на изменения во внешней среде и минимизировать время отклика с точки зрения давления и температуры, совместимое с требуемыми техническими характеристиками конструкции.

Каждое изменение условий внешней среды должно отражаться в измерениях, сообщаемых датчиком, особенно критичны быстрые изменения давления и температуры.

На отклонения между тестируемыми условиями и условиями вокруг зоны измерения также влияют источники тепла, поступающие от других устройств, расположенных вблизи зоны измерения, или самонагрев датчика. Критичными являются изменения температуры датчика, так как из-за этого его показания не будут совпадать с температурой среды, а также будут вносить определенный момент инерции.
В соответствии с изложенными соображениями, оптимизация дизайна состоит в следующем:

• надлежащее размещение датчика в системе;
• вариант выполнения и корпус датчика;
• защита датчика.

Для обеспечения максимальной производительности датчика в статических и динамических условиях рекомендуется:

• располагать датчик как можно ближе к измеряемой среде;
• минимизировать объем, стараясь адаптировать корпус к геометрии датчика, поскольку большой «мертвый объем» увеличит время отклика на изменение давления;
• размещать вентиляционное отверстие как можно ближе к датчику;
• свести глубину вентиляционного отверстия к минимуму.

Также нежелательны прямые механические воздействия на корпус датчика (см. рисунок 3).

Рис. 3. Примеры размещения датчиков давления в корпусе устройства

Еще одним источником возможных систематических ошибок в показаниях датчика является его дополнительный нагрев, вызванный кондуктивной или конвекционной теплопередачей от таких компонентов устройства с повышенным тепловыделением, как:

• контроллеры питания, преобразователи напряжения, силовые диоды и транзисторы;
• GPS-модули;
• процессоры, микроконтроллеры, микросхемы оперативной памяти;
• ЖК-дисплеи, система подсветки, контроллеры дисплеев.

Рекомендуется по возможности размещать датчики на печатной плате как можно дальше от тепловыделяющих элементов, минимизировать толщину дорожек, идущих к ним. Для защиты от конвекционных потоков желательно применять физические теплоизоляционные барьеры (рисунок 4).

Рис. 4. Рекомендации по размещению датчиков давления относительно тепловыделяющих элементов

Рис. 5. Один из вариантов расположения датчика давления в корпусе смартфона

Для герметичных датчиков в керамических корпусах с металлическим кольцом рекомендации по расположению относительно тепловыделяющих элементов остаются практически аналогичными. За счет герметичности и возможности доступа датчика непосредственно к среде нет необходимости в организации вентилируемого объема – кольцо датчика может быть выведено практически вровень с корпусом (рисунок 6). Единственным требованием остается отсутствие перекоса при монтаже датчика и отсутствие боковых механических нагрузок. Герметичность корпуса может быть обеспечена применением резинового или силиконового уплотнительного кольца (внутренний диаметр 1,15 мм, толщина 1 мм).

Рис. 6. Пример установки датчика с металлическим кольцом в корпус устройства

Внутренняя структура, режимы работы и реализация программной части для взаимодействия с датчиком давления

Рис. 7. Структурная схема датчиков давления ST Microelectronics

Аналоговая часть представлена сенсорными элементами: пьезорезистивный мост, реагирующий на изменения давления, а также температурный датчик – и состоит из малошумящего усилителя, который преобразует дисбаланс сопротивления первичных сенсоров в аналоговое напряжение. Далее с помощью аналого-цифрового преобразователя показания оцифровываются (давление – 24 бита, температура – 16 бит), подвергаются первичной обработке (фильтрация шумов и термокомпенсация), после чего данные о давлении и температуре могут быть доступны через интерфейс I2C/SPI.

Датчик, таким образом, напрямую взаимодействует с микроконтроллером.

Датчики оснащены выводом сигнала готовности к передаче данных, который указывает, когда доступен новый набор данных об измеренном давлении и температуре, что упрощает синхронизацию данных в измерительной системе и освобождает микроконтроллер от необходимости постоянных запросов о готовности.

Все датчики проходят обязательную заводскую калибровку, поправочные данные записываются в энергонезависимую память и копируются в соответствующие регистры датчика при его включении.

Датчики давления имеют три режима работы:

• режим пониженного потребления: отключены все внутренние блоки, кроме I2C-интерфейса;
• режим одиночных измерений: измерение запускается по запросу хост-контроллера;
• непрерывный режим: после запуска данного режима измерения производятся автоматически с заданной частотой и разрешением, также в цепь предварительной обработки данных может быть дополнительно включен встроенный фильтр нижних частот.

Для удобства работы датчики имеют 32-элементный FIFO-буфер для хранения выходных значений давления и температуры. Ячейки буфера 40-битные – соответственно 24 бита под данные давления и 16 под температуру. Это обеспечивает экономию энергии и вычислительных ресурсов для системы: хост-процессору не нужно непрерывно опрашивать данные с датчика, он может просыпаться только при необходимости и извлекать данные из FIFO. FIFO-буфер может работать в нескольких режимах: режим обхода (Bypass mode), режим FIFO (FIFO mode), режим потока (Stream mode), режим динамического потока (Dynamic-Stream mode), режим преобразования потока в FIFO (Stream-to-FIFO mode), режим обхода в поток (Bypass-to-Stream) и режим обхода в FIFO (Bypass-to-FIFO mode).

Дополнительно к FIFO датчики давления могут быть сконфигурированы для генерации прерываний, связанных с изменением давления или статусом FIFO-буфера – по срабатыванию условий изменяется уровень на выводе INT_DRDY.

Режимы прерывания, связанные с давлением:

• окончание измерения и готовность данных;
• выход текущего давления за установленные границы

Режимы прерывания, связанные с FIFO:

• по заданному уровню заполнения FIFO;
• по заполнению FIFO;
• по переполнению FIFO.

Средства разработки

Разработчикам для быстрого старта с датчиками давления, а по факту – практически со всеми типами МЭМС-датчиков STMicroelectronics предлагаются оценочные платы X—NUCLEO—IKS01A3 и X—NUCLEO—IKS01A2.

X-NUCLEO-IKS01A3 – оценочная плата с датчиками движения и окружающей среды (рисунок 8).

X-NUCLEO-IKS01A3 совместима с компоновкой разъема Arduino UNO R3 и имеет в составе:

• LSM6DSO: MEMS трехосевой акселерометр (±2/±4/±8/±16 g) + трехосевой гироскоп (±125/±250/±500/±1000/±2000 dps);
• LIS2MDL: MEMS трехосевой магнитометр (±50 Гс);
• LIS2DW12: MEMS трехосевой акселерометр (±2/±4/±8/±16 g);
• HTS221: емкостной датчик относительной влажности и температуры с цифровым выходом;
• DIL 24-штырьковый разъем для подключения дополнительных MEMS-датчиков и датчиков другого типа.

По умолчанию X-NUCLEO-IKS01A3 взаимодействует с микроконтроллерами STM32 оценочных плат NUCLEO посредством интерфейса I2C. Разработчикам доступна свободная библиотека встроенного ПО для комплексной разработки с примерами кода для всех датчиков в рамках программной экосистемы STM32Cube.

Рис. 8. Оценочная плата X-NUCLEO-IKS01A3

X-NUCLEO-IKS01A2 (рисунок 9), похожая демонстрационная плата с датчиками движения и окружающей среды, является по факту платой расширения для отладочных микроконтроллерных плат семейства STM32 Nucleo.

Рис. 9. Оценочная плата X-NUCLEO-IKS01A2

Плата X-NUCLEO-IKS01A2 включает в себя:

Основное взаимодействие с хост-контроллером на плате STM Nucleo осуществляется по интерфейсу I2C.

Заключение

Датчики давления ST все чаще используются в смартфонах, планшетах и персональных гаджетах, таких как спортивные часы, умные часы и фитнес-трекеры, обеспечивая точное определение высоты и дополнительные сервисы на основе определения локального местоположения, позволяя производить более точные расчеты. Это открывает широкое поле для новых приложений и сервисов смартфонов и носимых устройств, таких как анализаторы погоды, мониторы здоровья и спортивной активности.

Литература

18 августа 2016

Датчики давления новой серии Basic board mount pressure sensors производства компании Honeywell позволяют сохранить пространство на печатной плате в малогабаритных устройствах, обеспечить низкую стоимость изделия и сократить время проектирования, сочетая быстродействие, точность и универсальность применения.

Среди широкого спектра продукции компании Honeywell немалую часть занимают пьезорезистивные датчики давления для поверхностного монтажа, предназначенные для работы в различных средах и при разных давлениях (рисунок 1). Эти датчики из усовершенствованной серии долгое время сохраняют работоспособность, а алгоритм их работы включает необходимую калибровку. Датчики давления поверхностного монтажа компании Honeywell обеспечивают усиленный аналоговый или цифровой выходной сигнал для более точных измерений. Суммарная погрешность вычислений составляет ±1,5%.

Рис. 1. Новая серия датчиков давления Honeywell Basic board mount pressure sensors

Пьезорезистивные датчики состоят из чувствительной силиконовой мембраны и установленных на ней резистивных элементов, образующих мост Уитстоуна (измерительный мост). При колебании давления происходит деформация мембраны, что влечет изменение удельного сопротивления и, в свою очередь, изменяет величину выходного сигнала относительно входного. Таким образом, принцип действия пьезорезистивных датчиков давления основан на способности вещества изменять удельное сопротивление при его деформации (рисунок 2).

Рис. 2. Принцип действия пьезорезистивных датчиков давления

Дополнительным преимуществом датчиков с силиконовой мембраной служит отсутствие у деформируемого материала эффекта памяти: после воздействия давления пластина принимает свою первоначальную форму. В аналогичных условиях работы металлы со временем увеличивают погрешность измерений в связи с накопленной деформацией.

Простота конструкции и малые габариты делают возможным применение датчиков компании Honeywell в различных медицинских измерительных приборах, устройствах мониторинга состояния пациента, аналитическом оборудовании.

Например, датчики серии ABP можно применять в анализаторах крови. Используя проточную цитометрию, анализаторы инспектируют микроклетки и хромосомы, выделяя их из общего потока и передавая электронным устройствам для анализа свойств. Датчики позволяют регулировать величину давления насосов, отбирающих и перемещающих пробы крови.

С целью предотвращения апноэ (временного прекращения дыхания) во время сна пациентов применяют устройства, поддерживающие постоянный поток воздуха через горло. В такой ситуации важен контроль давления воздушного потока: при недостаточной его величине лечение не даст должного эффекта, при избыточной – пациент будет чувствовать дискомфорт в процессе терапии.

Помимо медицинского применения датчики давления серии ABP осуществляют контроль в тормозных системах тяжелой дорожной техники и автомобилей. С их помощью при недостаточном или избыточном давлении на компрессор поступает сигнал о необходимости увеличить поток воздуха или прекратить его подачу, чтобы предотвратить аварийную ситуацию.

Датчики давления Honeywell широко применяются и в различных пневмо- и гидросистемах, где необходимы высокоточные контроль и измерение величины давления воздушного или жидкостного потока.

Существуют и другие варианты применения датчиков давления поверхностного монтажа серии АВР. Например, в кофемашинах с их помощью определяется уровень воды в резервуаре. Идущие на смену пружинным матрасам воздушные кровати нуждаются в контроле давления для комфортного сна, эту задачу также способны решить датчики поверхностного монтажа Honeywell.

Помимо широкого спектра применения, датчики давления серии АВР обладают рядом преимуществ по сравнению с аналогичными устройствами других производителей.

Датчики давления поверхностного монтажа серии ABP позволяют определять измеряемую величину с очень высокой точностью: значение суммарной ошибки (TEB) лежит в диапазоне ±1,5% FSS (величины полного размаха шкалы), погрешность измерений в зависимости от изменения температуры составляет ±0,25% FSS, эта же величина соответствует точности измерений давления в целом – ±0,25% FSS BFSL (метод наименьших квадратов для определения величины максимального отклонения от прямой вследствие аппроксимации реальной характеристики).

Благодаря возможности простой калибровки датчики нашли применение в различных сферах жизнедеятельности человека. А их малые габаритные размеры (8х7 мм) позволяют максимально эффективно использовать пространство печатных плат при проектировании, обеспечивая возможность минимизировать размеры конечного устройства.

В структуре датчиков давления поверхностного монтажа предусмотрена схема термокомпенсации, которая позволяет снизить воздействие на точность измерений перепадов температуры.

К отличительным чертам также стоит отнести режим ожидания (Sleep mode), который позволяет снижать уровень потребляемой датчиком энергии между измерениями. Поэтому он очень удобен в портативных устройствах мониторинга, где важна высокая степень энергоэффективности.

Отличительными характеристиками датчиков компании Honeywell являются:

• высокая точность измерений;
• малые габаритные размеры;
• термокомпенсация;
• режим ожидания.

Общие технические характеристики датчиков давления серии АВР приведены в таблице 1.

Таблица 1. Датчики давления серии АВР

Из таблицы 1 следует возможность использовать различные интерфейсы при подключении датчиков АВР поверхностного монтажа. Кроме того, предусмотрена защита от статического напряжения в случаях применения датчиков в оборудовании, непосредственно контактирующем с человеческим телом. Ведь для выхода из строя миниатюрных электронных устройств достаточно величины статического тока, источником которого является тело человека. Количество срабатываний датчика в зависимости от области применения может превышать 1 млн благодаря свойствам силиконовых материалов возвращать первоначальную форму после деформации.

При работе с датчиками давления серии АВР следует иметь в виду их способность выдавать на выходе как аналоговый, так и цифровой сигнал, а также учитывать различие технических характеристик (таблица 2).

Таблица 2. Режимы работы датчиков

По данным таблицы 2 можно выбрать наиболее оптимальный режим работы датчика с учетом конструктивных особенностей конечного устройства.

Компания Honeywell выпускает датчики поверхностного монтажа двух исполнений – с выводами и без них. Каждый из вариантов имеет различный способ контакта с контролируемой средой (рисунок 3).

Рис. 3. Исполнения датчиков серии АВР

Дифференциальные датчики, которые позволяют выравнивать давление, имеют по два порта подключения. Фитинги могут располагаться как по вертикальной, так и по горизонтальным осям.

Одной из особенностей серии ABP является соответствие выходного сигнала датчиков различным единицам измерения давления: барам (bar), паскалям (Pa), фунтам на квадратный дюйм (psi). В серии есть выделенные группы, в которых выходной сигнал доступен в различных единицах. Например, для Великобритании и США удобнее применение устройств, дающих показания в фунтах на квадратный дюйм (таблица 3). В одних измерительных приборах целесообразно выводить величины в барах и их производных (таблица 4), в других более приемлемы паскали (таблица 5).

Номенклатура датчиков приведена на рисунке 4.

Свойство датчиков давления серии АВР переходить в режим ожидания (sleep mode) позволило расширить область использования в тех случаях, когда важно снизить величину потребляемого тока, а скорость измерения не имеет значения. Ведь для выхода из режима ожидания датчику необходимо время, что, в свою очередь, увеличивает время вывода информации. Из режима ожидания датчик выходит при получении сигнала через интерфейсы I2C или SPI.

Режим ожидания – это заводская установка, которая позволяет датчику снижать величину потребляемой энергии между чтением данных. В период покоя потребляемый ток датчика снижается с 2,5 до 0,5 мкА.

Обычно в режиме ожидания датчик находится до тех пор, пока от ведущего (Master) устройства не поступит сигнал «запрос полных измерений» (Full Measurement Request, FMR) для обоих интерфейсов I2C и SPI или «запрос измерения давления» (Pressure Measurement Request, PMR) только для I2C.

При получении команды FMR датчик проводит полные измерения и цикл расчетов, выполняя одновременно калибровку по температуре и положению нуля (рисунок 5).

Рис. 5. Цикл работы команды FMR

Когда приходит сигнал PMR – осуществляется считывание информации об изменении состояния моста Уитсона и расчет величины давления с учетом ранее выполненных термокомпенсации и калибровки. Полный объем информации помещается в регистр, и потребляемая энергия опять снижается (рисунок 6).

Рис. 6. Цикл работы команды PMR

Последующие вычисления могут быть выполнены без «пробуждения» датчика: ведущее устройство отправляет команду «чтение полученных данных» (Read Data Fetch, RDF), по которой поступит информация из регистра объемом 2, 3 или 4 байта, в зависимости от необходимых данных по температуре и разрешающей способности. Когда выполняется команда RDF, возвращаемый пакет данных будет последним измерением, выполненным с присвоением значения биту «valid» («действующий»). Когда выполнение команды завершится – бит статуса будет иметь значение «stale» («устаревший»). Следующая команда FMR или PMR опять выведет датчик из режима ожидания и начнет цикл измерений сначала.

Благодаря своим характеристикам датчики давления Honeywell успешно могут применяться в различных областях: медицине, промышленности, быту. Наличие режима ожидания позволяет использовать SMD-датчики серии АВР в портативных устройствах контроля и регулирования давления. Различные конструктивные исполнения упрощают проектирование изделий.

Компания Honeywell по праву заняла позицию одного из ведущих производителей датчиков давления благодаря стремлению упростить как разработку, так и применение различных типов оборудования. Датчики давления обеспечивают высокую точность измерений, стабильность работы и удобство использования.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

12 апреля 2017

Емкостные датчики атмосферного давления DPS310 производства Infineon отличаются повышенной точностью измерений и производительностью. Они предназначены для применения в решениях для навигации внутри и вне помещений, в портативных устройствах для здравоохранения и фитнеса, в метеостанциях и электронных барометрах, в том числе – с батарейным питанием.

Одна из самых интересных задач в области автоматизации измерений – преобразование неэлектрических величин, например, температуры, интенсивности света, давления, веса, в электрические – напряжение или ток. Это позволяет электронному устройству реагировать на события реального мира без участия человека.

Давление газа является одной из основных измеряемых величин.

Самая популярная область применения датчиков давления – измерение атмосферного давления для получения метеорологических данных. В качестве других примеров применения можно привести измерения скорости воздушных потоков, абсолютной или относительной высоты.

Каждая из областей применения обладает собственной спецификой. Например, для измерения атмосферного давления некритична скорость получения данных, так как значение этой величины изменяется сравнительно медленно. Измерения скорости потока и высоты требуют более высокой скорости. Более того, данные измерения сопровождаются достаточно сильными шумами за счет возникающих турбулентностей или из-за нестационарности протекания самих процессов.

Если рассматривать рынок интегральных датчиков давления, в том числе МЭМС, то чаще всего их чувствительным элементом является тензорезистивный сенсор, как правило, в составе мостовой схемы (рисунок 1).

Основными недостатками данного типа сенсоров являются нелинейная температурная зависимость, достаточно сложные алгоритмы стабилизации режима работы и термокомпенсации.

Особенности реализации датчика давления DPS310XTSA1

Рис. 3. Структурная схема датчиков серии DPS310

FIFO-буфер может хранить до 32 результатов измерений, что снижает затратность процедуры опроса датчика со стороны хост-контроллера. Об окончании результатов измерений можно узнать по выставленному биту в регистре статуса или по изменению уровня на внешнем выводе SDO. Взаимодействие с хост-контроллером осуществляется по интерфейсам I²C или SPI.

Технические характеристики DPS310XTSA1

Рис. 4. Внешний вид датчиков давления серии DPS310 и расположение выводов

• точность измерения давления: ±0,005 гПа или ±0,05 м (режим высокой точности);
• относительная погрешность: ±0,06 гПа или ±0,5 м;
• абсолютная погрешность: ±1 гПа (или ±8 м);
• точность измерения температуры: ±0,5°C;
• температурная чувствительность по измерению давления: 0,5 Пa/K;
• время измерения: типичное значение: 27,6 мс для стандартного режима (16 x), минимум: 3,6 мс для режима низкой точности;
• режимы работы: командный (ручной), фоновый (автоматический), режим ожидания;
• калибровка: индивидуально калибруется с сохранением коэффициентов в ПЗУ для коррекции измерений;
• FIFO: сохраняет до 32 измерений давления или температуры;
• интерфейс: I²C и SPI (оба с возможностью прерывания);
• 8-контактный корпус LGA 2,0х2,5х1,0 мм.

Типичные уровни тока потребления представлены в таблице 1. Из нее видно, что пиковое потребление в моменты измерений не превышает 350 мкА, а среднее потребление тока даже в режиме с наибольшей точностью – менее 40 мкА.

Широкий диапазон допустимых напряжений питания позволяет применять DPS310 в связке с процессорами мобильных устройств, имеющих, как правило, напряжения питания 1,8 В, а также с микроконтроллерами, работающими, в основном, с напряжением питания 3,3 В.

Регистры, программирование, режимы, использование калибровочных коэффициентов

Подключение датчика к хост-контроллеру осуществляется достаточно просто и не должно вызывать особых проблем. Взаимодействие с DPS310 возможно или по I²C- или по SPI-интерфейсам. Типичная схема включения датчика требует всего пары конденсаторов по выводам питания, и в том случае, если используется I²С-интерфейс – подтягивающие резисторы на линии SDA и SCL. Выбор интерфейса производится по уровню на линии CSB: при высоком уровне активен I²C, при низком – SPI. После подачи низкого уровня на CSB происходит переход на SPI-интерфейс до момента повторной инициализации датчика при включении (до события Power-on-Reset).

Типовая схема подключения DPS310 по I²C-интерфейсу представлена на рисунке 5. Поддерживаются стандартный, быстрый и высокоскоростной режимы работы шины.

Вывод SDO может быть использован или для задания младшего бита адреса устройства на I²C-шине (выбор производится между адресом 0x76 – SDO подключен к общему проводу или 0x77 – SDO подтянут к питанию или свободен), или для подачи сигнала прерывания.Подключение по SPI предполагает несколько вариантов: классическое 4-проводное, 3-проводное и 3-проводное с сигналом прерывания (рисунок 6). Поддерживаются команды чтения-записи одиночного байта, а также чтения последовательности байтов с определенного адреса.

Дежурный – режим по умолчанию, устройство находится в нем после подачи питания или сброса. Измерений в данном режиме не проводится, для настройки доступны все регистры и калибровочные коэффициенты.

Командный режим предусматривает проведение одиночного измерения давления или температуры с выбранной точностью. По окончании измерения датчик переходит в дежурный режим, а результат измерения доступен в регистрах данных.

В фоновом режиме производятся измерения давления и/или температуры с установленной точностью и частотой (в зависимости от настроек). Измерения температуры следуют сразу же за измерением давления. Результаты записываются в FIFO-буфер и доступны для хост-контроллера путем чтения регистра данных.

Ток, потребляемый DPS310, невелик во всех режимах работы. Возможна организация схемы питания датчика и управления ею от вывода микроконтроллера. Однако, учитывая довольно большое время перехода в рабочее состояние после подачи питания, составляющее 40 мс, и незначительное потребление в дежурном режиме, вряд ли это является целесообразным.

Таблица 2. Карта регистров датчиков DPS310

• считываются значения поправочных коэффициентов для давления и температуры (чтение регистров COEF);
• настраиваются параметры работы датчика давления (запись в PRS_CFG);
• настраиваются параметры работы датчика температуры (запись в TMP_CFG);
• настраиваются прерывания и работа FIFO (запись CFG_REG);
• настраивается режим работы (запись в MEAS_CFG);

Процесс учета поправок для корректировки значений давления и температуры состоит из нескольких этапов.

Считываются поправочные коэффициенты, всего их девять: c0, c1, c00, c10, c20, c30, c01, c11 и c21 (значения представлены в дополнительном коде и имеют разную разрядность).

Считанные показания давления Praw и температуры Traw масштабируются в зависимости от текущих настроек точности измерений:

Компенсированные значения температуры и давления вычисляются по формулам 3 и 4:

Следует обращать внимание, что все значения представлены в дополнительном коде, и:

• некоторые коэффициенты – 12-битные;
• ряд коэффициентов – 16-битные значения;
• считываемые значения давления и температуры – 24-битные значения.

При некоторых режимах работы показания температуры могут не обновляться, это ускоряет сам процесс измерений, несколько снижает потребление тока и время пересчета. Следует помнить, что при этом возможно появление погрешностей при получении компенсированного значения давления, так как при его расчете придется задействовать предыдущие (возможно устаревшие) показания температуры.

Отладочные средства для DPS310

Infineon Wireless Sensor Hub 2.0 (рисунок 7) при помощи SPI-интерфейса и двух шин I²C позволяет подключать до 12 датчиков DPS310. Поддерживаются режимы автономной работы с записью данных на SD-карту, а также подключение к хост-компьютеру посредством USB или Bluetooth для передачи данных в реальном времени.Infineon Sensor Hub Nano (рисунок 8) представляет собой небольшую плату размерами всего 30х15х10 мм с автономным питанием и Bluetooth-интерфейсом. Данная плата позволяет протестировать возможные сценарии применения DPS310 на таких движущихся объектах как, например, макет носимого фитнес-устройства или часть системы управления дроном.

Программное обеспечение Infineon SES2G sensor software analyzer позволяет с персонального компьютера проводить настройку датчиков, подключенных к демонстрационным платам, получение, запись, анализ и экспорт данных.Аналогичные задачи выполняет и Infineon Pressure Sensor Android App, с той лишь разницей, что оно предназначено для мобильных устройств на базе ОС Android.

Новый цифровой датчик давления Infineon DPS310 способен измерять атмосферное давление с высокой точностью, что позволяет использовать его в высотомерах с разрешающей способностью до 5 см. DPS310 выдает также значение температуры с погрешностью не более ±0,5°C, что дает возможность с успехом применять его в измерительном блоке метеостанции. Благодаря очень малому потребляемому току в 1,7 мкА и миниатюрным размерам микросхему можно применять в портативной батарейной аппаратуре.

Типичные целевые области применения:

• навигация внутри помещений (определение этажа и высоты);
• фитнес и спорт (счетчики шагов, трекеры, мониторы нагрузок);
• навигация вне помещений (вспомогательные и основные системы стабилизации и определения высоты полета дронов);
• метеостанции и домашние барометры;
• детекторы утечек в системах жестких дисков.

• AN510 – Barometric pressure sensor and use cases. http://www.infineon.com/.
• DPS310 – цифровой барометрический датчик давления – высотомер.
• DPS310 – Digital Pressure Sensor Digital Barometric Pressure Sensor for Portable Devices. www.infineon.com/.
• Packages – Infineon Technologies. www.infineon.com/.
• Sampo Härkönen. Capacitive technology can handle the pressure Low-power, high-accuracy pressure sensing for battery-powered and wearable devices. www.infineon.com/.
• Infineon DPS310 pressure sensor evaluation environment. www.infineon.com/.