如何使用压力传感器解决物联网设计的精度问题.doc
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1、如何使用压力传感器解决物联网设计的精度问题压力传感器广泛应用于物联网应用,例如无人机和工业自动化。但是,设计人员始终面临挑战,必须不断改进设备的精度、分辨率、抗噪能力和温度稳定性,同时降低成本,缩短产品的上市时间。为了应对这些挑战,高级供应商引入了创新的功能、外形尺寸、集成电子设备和灵活的接口选项,这些都有力地促进了设计和集成的简化。本文将对现代化集成压力传感器进行剖析,讨论它们如何处理温度补偿和输出精度等问题。此外还将讨论一些关键的设计注意事项,同时介绍合适的解决方案,阐述开发人员如何才能快速启动开发并让设备投入运行。压力传感器的演进压力传感器最初作为机电装置推向市场,但这些产品很快就让位于
2、基于半导体且成本更低的设备,这类设备使用 MEMS,能够测量 1 帕斯卡的极小压力差。利用板载接口,它们能够通过 I2C 或 SPI 链路,将数据发送到微控制器,而且功耗要低得多。在 MEMS 压力传感器中,压力被施加到柔性薄膜上,使得检测元件发生偏转,诱发失衡,进而转化为输出。基于 MEMS 的传感器可测量绝对和差分压力范围,并且分为补偿和无补偿版本。适用于物联网设计的压力传感器最新的技术进步让压力传感器变得更精确、重量更轻、成本更低,并且实现了更大的测量范围。这些创新是物联网和可穿戴式设备设计领域的新型应用所必需的。例如,基于 MEMS 的压力传感器可应用于力求实现更高精度的卡路里消耗测量
3、的新一代运动腕带。跑步者和骑行者十分讲究提高运动的监控精度。事实上,压力检测正在成为可穿戴式设备和物联网设计中的重要卖点之一,而这意味着压力传感器的尺寸还要继续缩小。体积更小、功耗更低的新型 MEMS 传感器可以显著节省板空间,同时增强物联网设计的性能和可靠性。这些压力传感器采用超紧凑的薄型封装,也适合电池供电的便携式设计,例如智能手机和平板电脑,以及可穿戴式运动设备。在一些电池供电的移动设备中,压力传感器能够在活动识别、精确楼层检测和户外定位等应用中增强甚至取代 GPS 功能。这些基于 MEMS 的压力传感器还能实现更精确的航位推算,在医疗保健和气候监测领域开创新型应用。由 STMicroe
4、lectronics 提供的 LPS22HB 就是此类新型 MEMS 传感器一个很好的例子(图 1)。它是一款 MEMS 纳米压力传感器,绝对压力测量范围为 260 至 1260 百帕 (hPa),可提供数字输出。它的重要特性包括:2.0 x 2.0 x 0.76 毫米 (mm) 的超小尺寸;采用 LGA 封装;功耗低,仅消耗 3 微安 (A) 电流;使用 1.7 伏至 3.6 伏电源。图 1:STMicroelectronics 的 LPS22HB MEMS 气压计的尺寸为 2 x 2 x 0.76 mm,仅消耗 3 A 电流,使用 1.7 伏至 3.6 伏电源。(图片来源:STMicroe
5、lectronics)LGA 封装带孔,允许外部压力到达传感元件。该传感器为压阻式传感器,包括检测元件和一个通过 I2C 或 SPI 将检测元件连接到应用的 IC 接口。LPS22HB 提供温度和压力补偿,包含内置的 FIFO,能够在数字逻辑中高效地处理压力和温度数据(图 2)。图 2:LPS22HB 的 FIFO 功能包含在数字逻辑部分,并提供温度和压力补偿。(图片来源:STMicroelectronics)FIFO 缓冲器包括 32 个 40 位数据槽,用于存储压力和温度输出值。这样可以实现持续节电,因为主机不需要持续轮询传感器。相反,主机只需从中断唤醒,然后从 FIFO 输出需要的数据便
6、可。FIFO 具有七种不同的工作模式:旁通模式、FIFO 模式、流模式、动态流模式、流到 FIFO 模式、旁通到流模式,以及旁通到 FIFO 模式。它们提供了不同级别的可操作性。例如,在旁通模式下,FIFO 是不可操作的,并且为空,而动态流模式则可确保 FIFO 中可用的新数据量与前一个读数无关。使用 LPS22HB 时,引脚 10 (VDD) 为供电引脚。建议在尽可能接近电源焊盘的位置放置一个 100 纳法 (nF) 的去耦电容器(图 3)。图 3:在 PC 板上布置 LPS22HB 时,将引脚 10 连接到 VDD 以获取电源,并在尽可能接近电源焊盘的位置贴放一个 100 nF 的去耦电容
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