№3 / 2017 / статья 3

Измеряем высоту с точностью до 5 см с новым датчиком давления от Infineon

Александр Калачев (г. Барнаул)

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.

Рис. 1. Типичная структурная схема резистивного чувствительного элемента датчиков давления [1]

Рис. 1. Типичная структурная схема резистивного чувствительного элемента датчиков давления [1]

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

Компания Infineon предлагает МЭМС-датчики атмосферного давления серии DPS310 с емкостным сенсором [2, 3]. Структурная схема емкостной измерительной ячейки представлена на рисунке 2. Она представляет собой емкостной мост. Выходной сигнал формируется как разность сигналов опорной и измерительных ячеек. Благодаря этому обеспечивается лучшая температурная стабильность и устойчивость к шумам. Более того, емкостная схема сенсора имеет меньшее потребление, чем резистивная. Конечно, и в том, и в другом случае токи, протекающие через измерительную ячейку, небольшие, но для устройств с батарейным питанием, нацеленным на длительную работу, важен каждый микроампер.

Рис. 2. Структурная схема емкостной измерительной ячейки DPS310 [1]

Рис. 2. Структурная схема емкостной измерительной ячейки DPS310 [1]

Вторым преимуществом емкостного сенсора является его быстродействие, что в итоге позволяет применять датчики на его основе для отслеживания динамических процессов.Архитектура датчиков давления серии DPS310 рассчитана на получение данных более высокой точности и на высокую производительность измерений в разных условиях работы. Каждый датчик в процессе производства индивидуально калибруется, и калибровочные коэффициенты заносятся в ПЗУ микросхемы.В состав DPS310 входят емкостная измерительная ячейка, датчик температуры, 24-битный АЦП, блок цифровой обработки сигналов, память калибровочных коэффициентов, FIFO-буфер для хранения результатов измерений, интерфейсный блок, а также встроенный стабилизатор напряжения (рисунок 3) [3].

Рис. 3. Структурная схема датчиков серии DPS310

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

DPS310 выпускаются в восьмивыводном компактном низкопрофильном корпусе поверхностного монтажа LGA [4] размера 2,0×2,5×1,0 мм с шагом 0,65 (рисунок 4), что делает его привлекательным для применения в составе мобильных и носимых устройств [3].

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

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

Основные технические характеристики [2, 3]:

  • рабочий диапазон: давление 300…1200 гПа, температура -40…85°C;
  • 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;
  • среднее потребление тока: 1,7 мкА для измерения давления, 1,5 мкA для измерения температуры (@ частота дискретизации 1 Гц), в режиме ожидания: 0,5 мкА;
  • напряжение питания: VDD 1,7…3,6 В; VDDIO 1,2…3,6 В;
  • 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.

Таблица 1. Типичные уровни тока потребления DPS310 в различных режимах работы (напряжение питания 1,8 В) [3]

Параметр Значение, мкА Описание
Пиковый ток потребления, Ipeak 345 В процессе измерения давления
280 При измерения температуры
Ток потребления в дежурном режиме, ISTBY 0,5 Состояние после подачи питания
Средний ток потребления при частоте измерений 1 Гц, I1Hz 2,1 Пониженная точность
11 Стандартные настройки
38 Максимальная точность

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.

Технические особенности применения: 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.

Рис. 5. Типовая схема подключения DPS310 по I2C-интерфейсу [3]

Рис. 5. Типовая схема подключения DPS310 по I2C-интерфейсу [3]

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.

а)ris_6a
 б)ris_6b
 в)ris_6v
Рис. 6. Варианты подключения DPS310 по SPI [3]: а) 4-проводное подключение; б) 3-проводное
подключение; в) 3-проводное подключение с линией прерывания

DPS310 поддерживает три режима работы: дежурный, командный и фоновый [3].

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.

Управление датчиком достаточно простое и заключается в настройке нескольких регистров. Самих регистров в DPS310 относительно немного (таблица 2) [3].

Таблица 2. Карта регистров датчиков DPS310

Имя регистра Адрес Описание
PSR_B[2:0] 0x00-0x02 Значение давления в дополнительном коде
TMP_B[2:0] 0x03-0x06 Значение температуры в дополнительном коде
PRS_CFG 0x06 Регистр конфигурации частоты опроса датчика давления и точности результатов
TMP_CFG 0x07 Регистр конфигурации частоты опроса датчика температуры и точности результатов
MEAS_CFG 0x08 Регистр настройки режимов работы и статуса устройства
CFG_REG 0x09 Регистр конфигурации прерываний, FIFO и SPI-интерфейса
INT_STS 0x0A Регистр индикации флагов прерываний (готовность результатов, переполнение FIFO)
FIFO_STS 0x0B Регистр статуса FIFO
RESET 0x0C Регистр принудительной очистки FIFO-буфера и инициализации программного сброса
Product_ID 0x0D Идентификатор продукта
COEF 0x10-0x21 Массив калибровочных коэффициентов для вычисления поправки к показаниям датчика давления и температуры
COEF_SRCE 0x28 Информационный регистр указания источника поправочных коэффициентов

Алгоритм работы с DPS310 заключается в следующем [3]:

  • 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);
  • считываются показания температуры, учитываются поправки (чтение TMP_B[2:0]);
  • считываются показания давления, учитываются поправки (чтение регистров PSR_B[2:0]);
  • в зависимости от приложения и настроек возможно циклическое повторение пунктов 5…7 или только 6…7.

При включенном FIFO данные считываются только из регистров PSR_B[2:0].

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:

(1)

(2)

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

(3)

(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.

Интересна также особенность работы FIFO – в том случае, если его работа разрешена, получаемые значения измерений будут записываться в него, а последние не считанные значения будут доступны через регистры давления – PSR_B[2:0]. В FIFO совместно пишутся данные и давления, и температуры – младший бит 24-битного значения будет указывать на его принадлежность к показаниям давления или температуры. Исчерпанию FIFO будет соответствовать считанное значение 0x800000.

Отладочные средства для DPS310

Рис. 7. Инфраструктура демонстрационных и отладочных средств для DPS310 [6]

Рис. 7. Инфраструктура демонстрационных и отладочных средств для DPS310 [6]

Серия DPS310 прежде всего ориентирована на рынок бытовой электроники [1, 5]. Для уменьшения времени вывода продукта на рынок и упрощения макетирования новых устройств компания Infineon предлагает ряд аппаратных и программных средств. Инфраструктура отладочных средств Infineon для DPS310 включает в себя демонстрационные платы Infineon Wireless Sensor Hub 2.0, Infineon Sensor Hub Nano, программные продукты SES2G Sensor evaluation software и Infineon pressure sensor android App (рисунок 7) [6].

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.

Рис. 8. Внешний вид отладочного набора Infineon DPS310 sensor hub [6]

Рис. 8. Внешний вид отладочного набора Infineon DPS310 sensor hub [6]

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.

Заключение

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.

Литература

  1. AN510 – Barometric pressure sensor and use cases. http://www.infineon.com/.
  2. DPS310 – цифровой барометрический датчик давления – высотомер.
  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/.
О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Наличие на складах
Наименование Наличие Цена
DPS310 (INFIN) 5 010 1.7468 $ 101.72 руб. от 2 500 шт