數(shù)字傳感器MPXY8020A與MSP430的接口設(shè)計

1 概述

mpxy8020a是摩托羅拉公司于2003年推出的汽車輪胎氣壓監(jiān)測傳感器。其內(nèi)部集成了氣壓傳感器、溫度傳感器和數(shù)字接口電路，8引腳ssop封裝；能承受的最大氣壓為1400mpa。mpxy8020a的功耗比較低，特別適用于輪胎氣壓和溫度監(jiān)測系統(tǒng)，能和摩托羅拉的無線遙控開鎖系統(tǒng)集成在一起，組成低成本，高集成度的系統(tǒng)。此外，mpxy8020a還可應(yīng)用于其他氣壓和溫度監(jiān)測系統(tǒng)中。

2 片內(nèi)結(jié)構(gòu)

mpxy8020a的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣壓信號的采樣由電容式傳感器完成，溫度信號的采樣由薄膜電阻完成，此外，片內(nèi)集成了數(shù)字接口電路。整個傳感器采用硅cmos工藝加工而成[1]。

氣壓信號的采樣分兩步完成：首先是把采樣電容上的信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后用開關(guān)式電容放大器對信號進(jìn)行放大，以提高采樣的準(zhǔn)確度。電容放大器帶有溫度補(bǔ)償電路，采樣偏移量可調(diào)，并且可以通過在eeprom寄存器中寫入校正值進(jìn)行采樣信號的校正。氣壓信號值的大小通過電壓比較器確定。在氣壓轉(zhuǎn)換前，外部微控制器通過mpxy8020a的數(shù)字接口輸入8位極限值。片內(nèi)8位dac（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）把該值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓，電壓比較器把采樣的電壓值與該值進(jìn)行比較，在out引腳輸出比較后的結(jié)果。當(dāng)采樣值高于輸入值時，out引腳為高電平，反之，為低電平，溫度信號的采樣由帶有正溫度系數(shù)的薄膜電阻完成。由圖1可見，通過2路開關(guān)，可選擇傳感器工作于氣壓采樣狀態(tài)或溫度采樣狀態(tài)，溫度信號的采樣過程與氣壓信號的采樣過程相似。

mpxy8020a內(nèi)，集成了1個低頻率、低功率的5.4khz晶體振蕩器，1個14級的分頻器。通過14級分頻，可在out引腳得到周期性（一般3s）的輸出信號。該信號還可以用作微控制器的中斷源。此外，mpxy8020a片內(nèi)還集成了一個10級的分頻器，通過該分頻器，傳感器可每隔52min使外部微控制器復(fù)位1次，以防程序長時間跑飛。為了節(jié)能，可通過mpxy8020a的引腳，控制其工作于不同的工作狀態(tài)。

3 引腳功能及工作方式

3.1 引腳功能

mpxy8020a的各個引腳如表1所列。mpxy8020a的片內(nèi)電路通過引腳vdd（正電平）和引腳vss（地）供電。在vdd與vss之間，通常接一個0.1μf的電容進(jìn)行電源濾波。out引腳在采樣值高于電壓比較器的極限值時，輸出1；反之輸出0。電壓比較器的極限值由外部微控制器通過數(shù)字接口輸入到mpxy8020a片內(nèi)的8位dac寄存器。當(dāng)mpxy8020a工作于空閑狀態(tài)時，out引腳被置高，直到14級分頻器發(fā)生溢出時，該引腳輸出一個負(fù)脈沖。rst引腳通常被置為高電平；當(dāng)10級分頻器發(fā)生溢出時，被置為低電平，這個引腳通常用于使外部微控制器復(fù)位。10級分頻器的溢出周期為52min，這跟mpxy8020a的工作狀態(tài)無關(guān)。s0和s1引腳一起，用于工作方式選擇。在設(shè)置電壓比較器的極限值時，data引腳為串行數(shù)據(jù)輸入引腳。clk引腳用于提供串行讀寫數(shù)據(jù)的時鐘。向mpxy8020a寫數(shù)據(jù)時，在clk引腳信號的上升沿，串行數(shù)據(jù)從data引腳按時序送到片內(nèi)移位寄存器，在clk引腳信號的第8個下降沿，數(shù)據(jù)被送到片內(nèi)d/a寄存器。s0、s1、data和clk四個引腳都內(nèi)置了施密特觸發(fā)器，以提高芯片的抗干擾性，并且這四個引腳都內(nèi)置了下拉電阻，所以當(dāng)它們被懸空時，都為低電平。

3.2 工作方式

mpxy8020a有4種工作方式，其工作于哪種工作方式由s1和s0引腳的電平來決定，如表2所列，只要vdd引腳有足夠的供電電壓，不管mpxy8020a工作于何種工作方式，其內(nèi)部的多路開關(guān)、d/a寄存器、低頻振蕩器和輸出脈沖分頻器都處于激活狀態(tài)。

需要注意的是，無論mpxy8020a工作于氣壓采樣方式還是溫度采樣方式，所有的eeprom位都處于激活狀態(tài)，如果為了節(jié)能而把vdd引腳置為低電平，有必要把所有引腳的電平都置為低電平，以免mpxy8020a被誤激活。

4 mpxy8020a與msp430f1232的接口

4.1 接口電路

mpxy8020a傳感器和msp430f1232的接口電路如圖2所示，其中的串行通信spi是靠clk和data引腳實(shí)現(xiàn)的，傳感器在clk引腳信號的上升沿讀取data的1位數(shù)據(jù)，連續(xù)8位為1個周期，對于不具備spi接口的微控制器，可以通過i/o口軟件仿真的方式實(shí)現(xiàn)通信，本系統(tǒng)中，通過msp430f1232的i/o口軟件仿真spi，實(shí)現(xiàn)采樣極限值的設(shè)置。

4.2 軟件設(shè)計

4.2.1 給mpxy8020a發(fā)送1字節(jié)數(shù)據(jù)

在給mpxy8020a設(shè)置氣壓和溫度采樣極限值時，極限值以字節(jié)為單位發(fā)送給mpxy8020a，我們編寫了一個向mpxy8020a發(fā)送1字節(jié)數(shù)據(jù)的函數(shù)，方便于系統(tǒng)中重復(fù)調(diào)用，該函數(shù)的代碼如下[2]：

void mpxy8020a_sendbyte（uchar mpxy8020a_data）{

uchar i；

p3dir|＝mpxy8020_clk＋mpxy8020_dat；

//clk和dat引腳為輸出

delay650us（）；

p3out＆＝～mpxy8020_chk； //clk引腳清0

for（i＝0；i＜8；i＋＋）{

if（（mpxy8020a_data＆bit7）＝bt7）{

//高位在前

p3out|＝mpxy8020_dat； // out引腳置1

}

else{

p3out＆＝～mpxy8020_dat； //out引腳清0

{

p3out|＝mpxy8020_chk； //clk引腳置1

delay20us（1）；

p3out＆＝～mpxy8020_clk； //clk引腳清0

delay20us（1）；

mpxy8020a_data＝mpxy8020a_data＜＜1；

//左移1位

}
}

4.2.2 溫度和氣壓數(shù)據(jù)的讀取

獲取mpxy8020a傳感器氣壓和溫度數(shù)據(jù)的方法逐次逼近法和報警值檢查法。逐次逼近法能夠獲得8位精度的轉(zhuǎn)換結(jié)果，但需要較長的轉(zhuǎn)換時間和消耗較多的電能。報警值檢查法是預(yù)先設(shè)置一個氣壓和溫度的報警值，然后監(jiān)測out引腳的電平來確定氣壓和溫度值是否超過報警值。這是一種低功耗模式，在不需要知道準(zhǔn)確的氣壓/溫度值時，可采用這種工作方式，本系統(tǒng)中采用的是逐次逼近法。

mpxy8020a傳感器利用外部的msp430f1232作為逐次逼近程序的控制器，msp430f1232將猜測的極限值通過spi接口串行地發(fā)送到傳感器的dar（數(shù)/模轉(zhuǎn)換寄存器）器件內(nèi)dar將此猜測值變?yōu)槟M值，并與待測的氣壓值比較，通過out引腳給出比較后的結(jié)果。每次比較需用64個時鐘周期。例如：第1次猜測值為0x80，如果檢測out腳為高電平，則說明氣壓值大于0x80，msp430f1232通過spi再送入oxc0，檢測out引腳的狀態(tài)，如果這次out引腳是低電平，說明氣壓在0x08或0xc0之間，重復(fù)這樣的過程，直到逼近近似值。整個過程類似對分搜索，首先，取全量程值的一半作為第1個猜測值，并送入數(shù)/模轉(zhuǎn)換寄存器，然后監(jiān)測傳感器out引腳的輸出狀態(tài)，若out引腳的輸出為“低”，說明猜測值太大或者和取樣值接近；若out引腳的輸出保持“高”，則說明猜測值太小。轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器作為一個變量由msp430f135實(shí)時修改。如果猜測值太小，結(jié)果寄存器的最低位置“1”；如果猜測值太大，結(jié)果寄存器的最低位置“0”，使用新的猜測值繼續(xù)逼近，值得得到最終結(jié)果。

用逐次逼近的方法讀取mpxy8020a溫度數(shù)據(jù)的程序代碼如下：

void mpxy8020a_temperature_sample（void）{

uchar mpxy8020a_temp＝0；

p3dir＆＝～mpxy8020_out； //input

mpxy8020a_temp|＝bit7；//初始值為128，即位7＝1

mpxy8020a_standby_state（）； //待機(jī)模式

mpxy8020a_sendbyte（mpxy8020a_temp）；

//發(fā)送極限值

mpxy8020a_temperature_state（）； //測量溫度模式

mpxy8020a_output_state（）； //讀數(shù)據(jù)模式

if（（p3in＆mpxy8020_out）＝＝mpxy8020_out）{

//比較out引腳是否為1

mpxy8020a_temp|＝bit6； //位6＝1

}

else{

mpxy8020a_temp＆＝～bit7；//位7＝0

mpxy8020a_temp|＝bit6；//位6＝1

}

…//省略部分為從位6到位1的重復(fù)逼近的程序，其c

//代碼與位7的相似

mpxy8020a_standby_state（）； //待機(jī)模式

mpxy8020a_sendbyte（mpxy8020a_temp）；

//發(fā)送極限值

mpxy8020a_temperature_state（）； //測量溫度模式

mpxy8020a_output_state（）； //讀數(shù)據(jù)模式

if（（p3in＆mpxy8020_out）＝＝mpxy8020_out）

//比較out引腳是否為1

{}

else{

mpxy8020a_temp＆＝～bit0；//位0＝0

}

temperature＝mpxy8020a_temp；

//用全局變量儲存采樣值

}

讀取mpxy8020a氣壓數(shù)據(jù)的函數(shù)代碼與讀取溫度的函數(shù)相似。限于篇幅，本文不再細(xì)述。

4.2.3 溫度和氣壓數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

（1）溫度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

根據(jù)表3，可以把溫度采樣值轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度值，實(shí)際溫度值的單位為℃。眾所周知，單片機(jī)對浮點(diǎn)數(shù)的處理能力不強(qiáng)，因此，為了便于單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和保留更高的準(zhǔn)確度，對轉(zhuǎn)換后的實(shí)際溫度值放大了100倍，例如，1501對應(yīng)于15.01℃。

當(dāng)采樣溫度值小于－40℃對應(yīng)的值時，按0.8℃/位的變化率進(jìn)行計算，溫度采樣值小于25℃對應(yīng)的采樣值時，以上限為基準(zhǔn)進(jìn)行計算，因?yàn)槠渖舷蕹霈F(xiàn)的機(jī)率更大，這樣得出的結(jié)果誤差會小些；當(dāng)采樣溫度值大于25℃對應(yīng)的采樣值時，以下限為基準(zhǔn)進(jìn)行計算，因?yàn)橄孪蕹霈F(xiàn)的機(jī)率更大。比如，采樣值介于25℃對應(yīng)的采樣值和70℃對應(yīng)的采樣值之間，則以25℃為基準(zhǔn)。

（2）氣壓數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

mpxy8020a測量的氣壓范圍約為0－600kpa，測得的值與氣壓之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系由下式給出：

p＝2.5×output±氣壓誤差

式中，output為測量得到的值（在0－255之間），氣壓誤差由mpxy8020a的數(shù)據(jù)手冊給出（將在下一節(jié)中討論）；p為轉(zhuǎn)換后的氣壓值，單位為kpa。

4.2.4 氣壓數(shù)據(jù)的誤差處理

mpxy8020a所測得的氣壓是存在誤差的，并且，在不同的問題區(qū)間，不同的工作電壓、不同的氣壓情況下，其誤差也不一樣。mpxy8020a的氣壓誤差由其數(shù)據(jù)手冊給出，表4列出其在250kpa－450kpa氣壓區(qū)間下的誤差值。

由表4可以看出，陰影部分的誤差較小。當(dāng)電壓低于2.5v或者溫度過低或者溫度過高的情況下，所測得的溫差比較大。為了減小測量誤差，mpxy8020a應(yīng)工作于2.5－3.3v的電壓區(qū)間。

由于各個傳感器的誤差不盡相同，因此，可以通過實(shí)際測量得到其具體的氣壓誤差，然后再在程序中加上或者減去這個誤差值，這樣所得出的氣壓值就更加接近真實(shí)的值。此外，也可以通過分段多次測量方法，得到更好的測量結(jié)果。

結(jié)論

mpxy8020a為數(shù)字式氣壓和溫度傳感器，體積小、接口簡單、工作穩(wěn)定可靠、功耗??；適用于對體積要求比較高的氣壓和溫度測量系統(tǒng)，尤其適用于無線汽車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)。本設(shè)計已應(yīng)用于某無線汽車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)中，經(jīng)實(shí)踐證明使用效果良好。