孫　彬

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200030)

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壓阻式氣壓傳感器BM1383GLV的高度檢測(cè)應(yīng)用

孫彬

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200030)

隨著國(guó)內(nèi)移動(dòng)消費(fèi)類電子產(chǎn)品日益朝高端化方向發(fā)展，通過(guò)氣壓測(cè)量高度的功能逐漸吸引了人們的眼球。本文介紹了壓阻式MEMS氣壓傳感器芯片BM1383GLV的功能，并基于實(shí)際應(yīng)用提出設(shè)計(jì)要點(diǎn)與技術(shù)瓶頸。該芯片適用于各類移動(dòng)設(shè)備，并且具有高精度、低功耗、封裝小等優(yōu)點(diǎn)。

測(cè)量高度；氣壓傳感器；BM1383GLV；高精度

引　言

隨著移動(dòng)設(shè)備技術(shù)日新月異的變化，各類傳感器的應(yīng)用已經(jīng)日趨成為移動(dòng)設(shè)備上的最大亮點(diǎn)。近年來(lái)，自從iPhone 6上搭載了氣壓傳感器之后，國(guó)內(nèi)各手機(jī)及平板廠家紛紛導(dǎo)入氣壓傳感器，作為中高端移動(dòng)設(shè)備的標(biāo)配。目前國(guó)內(nèi)手機(jī)龍頭廠商華為發(fā)布的Mate8手機(jī)上就已經(jīng)大批量成功采用了氣壓傳感器。本文通過(guò)研究ROHM公司BM1383GLV氣壓傳感器的工作原理，及其在應(yīng)用設(shè)計(jì)中會(huì)遇到的各種問(wèn)題，分析氣壓傳感器在終端產(chǎn)品上的定位，供相關(guān)開(kāi)發(fā)者參考。

1　BM1383GLV工作原理

BM1383GLV是采用MEMS結(jié)構(gòu)的壓阻式氣壓傳感器，內(nèi)置一顆氣壓傳感器和一顆溫度傳感器，溫度傳感器的主要作用是在不同的溫度環(huán)境下對(duì)MEMS結(jié)構(gòu)本身的測(cè)量誤差做補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償?shù)乃惴ㄔ贗C出廠時(shí)一次性燒寫到內(nèi)置的存儲(chǔ)器中，用戶通過(guò)芯片讀到的氣壓值即是經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)。此外，芯片內(nèi)置一顆22位的ADC，其中包括11位整數(shù)和11位小數(shù)，氣壓測(cè)量范圍是300～1100 hPa，分辨率可達(dá)到約0.000 5 hPa。

BM1383GLV工作電壓范圍為1.7～3.6 V，滿足一般的移動(dòng)設(shè)備供電電壓要求；在工作時(shí)電流消耗約為650 μA，在待機(jī)模式下會(huì)下降到1 μA左右。該芯片通過(guò)I2C總線協(xié)議與主機(jī)端通信，最高支持400 kHz的時(shí)鐘頻率，對(duì)外圍器件的要求不多，中斷引腳內(nèi)部可以配置成上拉模式，所以外部不需要做上拉處理。

BM1383GLV的結(jié)構(gòu)由3部分組成：打開(kāi)最外層的金屬蓋，里面是MEMS傳感器和LSI，分別通過(guò)金屬飛線連接到最底層的基板上。MEMS結(jié)構(gòu)其實(shí)是一整塊內(nèi)部帶空腔的硅，空腔內(nèi)近似于真空狀態(tài)，空腔上表面由一層硅膜密封。整塊硅膜就相當(dāng)于一個(gè)電橋，在其中一組對(duì)角線上接入電源，來(lái)檢測(cè)另一組對(duì)角線間的電壓，當(dāng)外界氣壓發(fā)生變化時(shí)，硅膜發(fā)生形變導(dǎo)致電橋失去平衡，則可以得到與外界氣壓成正比的輸出電壓，以此來(lái)計(jì)算外界氣壓的大小。芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。MEMS部分和LSI分別通過(guò)金屬飛線與底部基板相連接，外部加上金屬蓋封裝，金屬蓋上有一處氣孔，通過(guò)此孔使內(nèi)外大氣流通，氣孔的直徑大小為0.3 mm左右。

圖1　BM1383GLV內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文采用ODROID-Q開(kāi)發(fā)板，其使用的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為三星公司的Exynos4412，Exynos4412采用ARM Cortex-A9架構(gòu)，是三星推出的第一款針對(duì)智能手機(jī)應(yīng)用的四核處理器。它具有豐富的外圍接口，包括8組I2C總線接口和3組SPI接口。

BM1383GLV通過(guò)SDA和SCL兩路連接主機(jī)的I2C總線控制器，INT為中斷引腳，由于氣壓傳感器在通常的應(yīng)用場(chǎng)景下不需要使用中斷模式，因此INT可以作懸空處理。

3　驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

本文所采用的系統(tǒng)環(huán)境為Android 4.1.2版本，使用Linux Kernel 3.0.51。在Android系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)的是最底層對(duì)于傳感器硬件設(shè)備的操作，利用某種通信協(xié)議(例如I2C協(xié)議)將配置命令寫入到芯片寄存器，并將傳感器輸出的數(shù)據(jù)讀取并且上報(bào)。BM1383GLV的驅(qū)動(dòng)程序相對(duì)簡(jiǎn)單，主要的有上電初始化子程序和定時(shí)器處理程序兩部分。

3.1上電初始化子程序

當(dāng)BM1383GLV上電后，需先等待100 μs，然后對(duì)POWER_DOWN(0x12)寄存器寫入0x01來(lái)使芯片內(nèi)部LDO上電。之后等待1 ms，再對(duì)RESET(0x13)寄存器寫入0x01，來(lái)使芯片內(nèi)部測(cè)量控制模塊上電，復(fù)位所有寄存器的值。采用平臺(tái)自帶讀寫函數(shù)接口i2c_smbus_write_byte_data按單字節(jié)寫入。此時(shí)芯片初始化完成，進(jìn)入Stand by工作待機(jī)狀態(tài)。

3.2定時(shí)器處理程序

芯片的工作模式有兩種，分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。無(wú)論是哪種模式，都需要先對(duì)MODE_CONTROL(0x14)寄存器寫入相應(yīng)不同的值來(lái)使芯片進(jìn)入工作狀態(tài)。

在手動(dòng)模式下，每次寫完MODE_CONTROL寄存器之后芯片只進(jìn)行一次采樣，并自動(dòng)回到Stand by狀態(tài)，如要繼續(xù)下一次采樣則需再對(duì)MODE_CONTROL寄存器執(zhí)行寫入操作。而在自動(dòng)模式下，每次寫完MODE_CONTROL寄存器之后芯片每隔一定的時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行一次采樣，間隔時(shí)間可選定為50 ms、100 ms、200 ms三種模式。直到再次對(duì)MODE_CONTROL寄存器寫入停止采樣命令后，芯片才會(huì)回到Stand by狀態(tài)。本文采用200 ms自動(dòng)模式，因此定時(shí)器的間隔等待時(shí)間也設(shè)為200ms。

在定時(shí)器處理函數(shù)中，每次讀取0x1C～0x1E三個(gè)8位寄存器，得到芯片輸出的氣壓原始數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)移位合并成總共22位的整型值：

*val=((unsigned int)buf[0]<<16)|((unsigned int)buf[1]<<8)|(buf[2] & 0xFC);

其中，高11位代表整數(shù)部分，低11位代表小數(shù)部分，單位是hPa。由于底層不支持浮點(diǎn)數(shù)上報(bào)，因此氣壓值通過(guò)input函數(shù)上報(bào)到上層之后再做右移11位的轉(zhuǎn)換。如此，一次完整的數(shù)據(jù)測(cè)量、讀取并上報(bào)的過(guò)程就完成了。

4　應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

BM1383GLV在軟件驅(qū)動(dòng)層的輸出值僅為單純的氣壓值，上層應(yīng)用程序在得到底層上報(bào)的氣壓值之后，一個(gè)最直接的應(yīng)用就是通過(guò)環(huán)境氣壓值來(lái)?yè)Q算得到高度。高度計(jì)算公式如下：

其中P是從芯片讀取到的氣壓值，P0是測(cè)量地點(diǎn)在海平面處的氣壓大小。

但是，這個(gè)方法也存在著一定的局限性。由于氣壓的大小不光受到海拔高度這一項(xiàng)因素影響，許多其他外界條件也會(huì)對(duì)氣壓造成改變，其中最主要的一項(xiàng)就是氣壓的日變化和年變化。一年之中，夏天比冬天的氣壓要低；一天之中，氣壓的變化幅度會(huì)達(dá)到1～4 hPa，并隨著緯度的增高而減小，而B(niǎo)M1383GLV本身的測(cè)量相對(duì)精度僅僅為±0.12 hPa左右,此外氣壓大小還與氣候條件相關(guān)。

因而，不同的地點(diǎn)，不同的時(shí)刻，上式中P0這項(xiàng)基準(zhǔn)值是會(huì)發(fā)生很大變化的，所以通過(guò)上式計(jì)算出的絕對(duì)海拔高度，其誤差是相當(dāng)大的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了器件本身的測(cè)量精度，因此實(shí)際意義并不大。

由此，一個(gè)適宜的應(yīng)用便是室內(nèi)導(dǎo)航。眾所周知，在室外環(huán)境下通?？捎蒅PS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，而在封閉的高樓或室內(nèi)GPS信號(hào)不良的環(huán)境下，通過(guò)氣壓值來(lái)計(jì)算高度就成為一個(gè)有效的辦法。同時(shí)，由于在室內(nèi)不容易受到外界氣候條件的影響，例如通過(guò)從底樓爬到頂樓之后兩處的氣壓差來(lái)計(jì)算樓層高度，或進(jìn)一步通過(guò)知道建筑的層高來(lái)計(jì)算總共爬了幾層樓，并且這種應(yīng)用本身的特點(diǎn)就是短期內(nèi)的氣壓變化，因此可以忽略氣壓的日變化與年變化的影響，使測(cè)量精度大大增加。

5　產(chǎn)線校準(zhǔn)

MEMS器件在裝配過(guò)程中會(huì)受到應(yīng)力的作用，導(dǎo)致器件本身產(chǎn)生測(cè)量偏差，所以生產(chǎn)廠商在產(chǎn)線上將終端產(chǎn)品裝配成整機(jī)之后，需要對(duì)每臺(tái)整機(jī)單獨(dú)進(jìn)行產(chǎn)線校準(zhǔn)。校準(zhǔn)流程如圖2所示。

圖2　氣壓傳感器標(biāo)準(zhǔn)流程

產(chǎn)線校準(zhǔn)就是將整機(jī)與工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)氣壓計(jì)放在同一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境下(環(huán)境溫度、氣壓穩(wěn)定)，并且保持在同一水平高度下，將從芯片中讀取到的氣壓值與從標(biāo)準(zhǔn)氣壓計(jì)中讀取到的氣壓值做比較，然后將得到的offset值保存下來(lái)。由于該芯片本身內(nèi)部沒(méi)有多余的存儲(chǔ)器可供存儲(chǔ)，所以必須將此offset值存儲(chǔ)到系統(tǒng)上層之中，在校準(zhǔn)完成之后，整機(jī)每次上電都從上層讀取該offset值，將其累加到從芯片讀到的氣壓值上面，使最終應(yīng)用程序得到的氣壓值與標(biāo)準(zhǔn)氣壓計(jì)的測(cè)量值保持一致。

結(jié)　語(yǔ)

本文分析了BM1383GLV的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其測(cè)量氣壓的原理，并結(jié)合實(shí)際情況根據(jù)氣壓計(jì)算高度的方法以及影響氣壓變化的因素，提出理論計(jì)算方法所存在的局限性，討論真正可以通過(guò)氣壓傳感器在移動(dòng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景，給相關(guān)設(shè)計(jì)工作人員提供了可行性分析參考及技術(shù)儲(chǔ)備的資源。

[1] ROHM Semiconductor.PressureSensor Series Pressure Sensor IC BM1383GLV Datasheet.Ver.004，2015.

[2] 王俊彩,王福平,侯瑞峰,等.基于BMP085的一種便攜式海拔高度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011(12).

[3] 張金燕,劉高平,楊如祥.基于氣壓傳感器BMP085的高度測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用, 2014(6).

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[5] 茹濱超,鮮斌,宋英麟,等.基于氣壓傳感器的無(wú)人機(jī)高度測(cè)量系統(tǒng)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013(S2).

孫彬，主要從事IC生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持工作。

(責(zé)任編輯：楊迪娜收修改稿日期：2016-03-09)

Altitude Detection Application of Pressure Resistance Sensor BM1383GLV

Sun Bin

(Electronic Information and Electrical Engineering College,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200030,China)

With the development of the mobile consumer electronic products in high end direction,the function of measuring altitude by the pressure gradually attracts the people′s attention.In the paper,the function of piezo-resisitive MEMS pressure sensor IC BM1383GLV is introduced.The main design points and technical bottlenecks are proposed based on the actual application.The IC can be used for many kinds of mobile devices,which has the advantages of high accuracy,low power consumption and small package.

measuring altitude;pressure sensor;BM1383GLV；high accaracy

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