數字傳感器MPXY8020A與MSP430的接口設計

1 概述

mpxy8020a是摩托羅拉公司于2003年推出的汽車輪胎氣壓監測傳感器。其內部集成了氣壓傳感器、溫度傳感器和數字接口電路，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測系統，能和摩托羅拉的無線遙控開鎖系統集成在一起，組成低成本，高集成度的系統。此外，mpxy8020a還可應用于其他氣壓和溫度監測系統中。

2 片內結構

mpxy8020a的功能結構如圖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，片內集成了數字接口電路。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換為電壓信號，然后用開關式電容放大器對信號進行放大，以提高采樣的準確度。電容放大器帶有溫度補償電路，采樣偏移量可調，并且可以通過在eeprom寄存器中寫入校正值進行采樣信號的校正。氣壓信號值的大小通過電壓比較器確定。在氣壓轉換前，外部微控制器通過mpxy8020a的數字接口輸入8位極限值。片內8位dac（數模轉換器）把該值轉換成相應的模擬電壓，電壓比較器把采樣的電壓值與該值進行比較，在out引腳輸出比較后的結果。當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的薄膜電阻完成。由圖1可見，通過2路開關，可選擇傳感器工作于氣壓采樣狀態或溫度采樣狀態，溫度信號的采樣過程與氣壓信號的采樣過程相似。

mpxy8020a內，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使外部微控制器復位1次，以防程序長時間跑飛。為了節能，可通過mpxy8020a的引腳，控制其工作于不同的工作狀態。

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字接口輸入到mpxy8020a片內的8位dac寄存器。當mpxy8020a工作于空閑狀態時，out引腳被置高，直到14級分頻器發生溢出時，該引腳輸出一個負脈沖。rst引腳通常被置為高電平；當10級分頻器發生溢出時，被置為低電平，這個引腳通常用于使外部微控制器復位。10級分頻器的溢出周期為52min，這跟mpxy8020a的工作狀態無關。s0和s1引腳一起，用于工作方式選擇。在設置電壓比較器的極限值時，data引腳為串行數據輸入引腳。clk引腳用于提供串行讀寫數據的時鐘。向mpxy8020a寫數據時，在clk引腳信號的上升沿，串行數據從data引腳按時序送到片內移位寄存器，在clk引腳信號的第8個下降沿，數據被送到片內d/a寄存器。s0、s1、data和clk四個引腳都內置了施密特觸發器，以提高芯片的抗干擾性，并且這四個引腳都內置了下拉電阻，所以當它們被懸空時，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，其內部的多路開關、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。

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，如果為了節能而把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引腳實現的，傳感器在clk引腳信號的上升沿讀取data的1位數據，連續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現通信，本系統中，通過msp430f1232的i/o口軟件仿真spi，實現采樣極限值的設置。

4.2 軟件設計

4.2.1 給mpxy8020a發送1字節數據

在給mpxy8020a設置氣壓和溫度采樣極限值時，極限值以字節為單位發送給mpxy8020a，我們編寫了一個向mpxy8020a發送1字節數據的函數，方便于系統中重復調用，該函數的代碼如下[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 溫度和氣壓數據的讀取

獲取mpxy8020a傳感器氣壓和溫度數據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位精度的轉換結果，但需要較長的轉換時間和消耗較多的電能。報警值檢查法是預先設置一個氣壓和溫度的報警值，然后監測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，在不需要知道準確的氣壓/溫度值時，可采用這種工作方式，本系統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接口串行地發送到傳感器的dar（數/模轉換寄存器）器件內dar將此猜測值變為模擬值，并與待測的氣壓值比較，通過out引腳給出比較后的結果。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，如果這次out引腳是低電平，說明氣壓在0x08或0xc0之間，重復這樣的過程，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/模轉換寄存器，然后監測傳感器out引腳的輸出狀態，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。轉換結果寄存器作為一個變量由msp430f135實時修改。如果猜測值太小，結果寄存器的最低位置“1”；如果猜測值太大，結果寄存器的最低位置“0”，使用新的猜測值繼續逼近，值得得到最終結果。

用逐次逼近的方法讀取mpxy8020a溫度數據的程序代碼如下：

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（）； //待機模式

mpxy8020a_sendbyte（mpxy8020a_temp）；

//發送極限值

mpxy8020a_temperature_state（）； //測量溫度模式

mpxy8020a_output_state（）； //讀數據模式

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的重復逼近的程序，其c

//代碼與位7的相似

mpxy8020a_standby_state（）； //待機模式

mpxy8020a_sendbyte（mpxy8020a_temp）；

//發送極限值

mpxy8020a_temperature_state（）； //測量溫度模式

mpxy8020a_output_state（）； //讀數據模式

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氣壓數據的函數代碼與讀取溫度的函數相似。限于篇幅，本文不再細述。

4.2.3 溫度和氣壓數據的轉換

（1）溫度數據的轉換

根據表3，可以把溫度采樣值轉換為實際溫度值，實際溫度值的單位為℃。眾所周知，單片機對浮點數的處理能力不強，因此，為了便于單片機進行運算和保留更高的準確度，對轉換后的實際溫度值放大了100倍，例如，1501對應于15.01℃。

當采樣溫度值小于－40℃對應的值時，按0.8℃/位的變化率進行計算，溫度采樣值小于25℃對應的采樣值時，以上限為基準進行計算，因為其上限出現的機率更大，這樣得出的結果誤差會小些；當采樣溫度值大于25℃對應的采樣值時，以下限為基準進行計算，因為下限出現的機率更大。比如，采樣值介于25℃對應的采樣值和70℃對應的采樣值之間，則以25℃為基準。

（2）氣壓數據的轉換

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

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的數據手冊給出（將在下一節中討論）；p為轉換后的氣壓值，單位為kpa。

4.2.4 氣壓數據的誤差處理

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的氣壓誤差由其數據手冊給出，表4列出其在250kpa－450kpa氣壓區間下的誤差值。

由表4可以看出，陰影部分的誤差較小。當電壓低于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應工作于2.5－3.3v的電壓區間。

由于各個傳感器的誤差不盡相同，因此，可以通過實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，得到更好的測量結果。

結論

mpxy8020a為數字式氣壓和溫度傳感器，體積小、接口簡單、工作穩定可靠、功耗小；適用于對體積要求比較高的氣壓和溫度測量系統，尤其適用于無線汽車輪胎氣壓監測系統。本設計已應用于某無線汽車輪胎氣壓監測系統中，經實踐證明使用效果良好。