数字式气压和温度传感器MPXY8020A介绍及驱动代码

Author：Once Day

Date：北部市保留地，2022年5月13日

1.概述

MPXY8020A是摩托罗拉公司于2003年推出的汽车轮胎气压监测传感器。其内部集成了气压传感器、温度传感器和数字接口电路，8引脚SSOP封装；能承受的最大气压为1400kPa。MPXY8020A的功耗比较低，特别适用于轮胎气压和温度监测系统。

压力传感器是使用表面微加工制造的电容式传感器，接口电路与传感器使用标准硅CMOS工艺集成在同一个模具上。压力信号的调理始于电容到电压转换(C到V)，随后是开关电容放大器。这个放大器有可调的偏移量和增益微调。偏移量和增益被工厂校准，校准值存储在EEPROM微调寄存器中。该放大器还具有灵敏度和偏置的温度补偿电路，也使用EEPROM微调寄存器进行工厂调整。压力由电压比较器监控，它将测量值与由串行输入调整的8位阈值进行比较。通过调整阈值和监控OUT引脚的状态，外部设备可以检查是否已越过低压阈值，或执行多达8位的A /D转换。

温度由由电流源驱动的具有正温度系数的扩散电阻测量，从而产生电压。该电压的室温值是使用EEPROM微调寄存器进行工厂校准的。双通道多路复用器可以将压力或温度信号路由到采样电容，采样电容由具有可变阈值调整的电压比较器监控，提供温度的数字输出。

一个内部低频，低功率5.4 kHz振荡器，带有一个14级分频器，为OUT引脚提供一个周期脉冲(除以16384 3秒)。该脉冲可用于唤醒外部MCU，以开始与设备的接口。额外的10级分频器将每52分钟提供一个脉冲，可用于复位外部MCU。功耗可以通过外部引脚选择的几种操作模式来控制。

以上文字机翻自数据手册，下面简要说明一下：

• 可以测量温度，范围-40~125摄氏度，误差较大，误差在4-5摄氏度之间。
• 可以测量压力，合适的范围为250kPa~450kPa，但最大支持到1400kPa，此时可能损坏器件。
• 自带时钟，可以输出两种信号，用于控制外部MCU。
• 串行口是用来输入数据的，输出的信号只有高低电平，需要和单片机配合工作才能采集8位adc数据，然后再转化为实际温度或者压力。

内部原理图构造如下：

封装如下：

2.MPXY8020A和Mcu的硬件连接

VCC供电范围可在2.1v-3.6v，推荐在3.0-3.3v附近，比较合适。

注意供电的电压是会影响测量结果的！，所以具体的计算公式和误差校准需要根据实际供电的电压来计算。

如果VCC供电为0v，但管脚有高电平的，那么也会通过管脚上的二极管进行供电！因此，要把所有管脚拉低才能做到断电。

S1和S0是用来选择运行的模式的，都具有下拉电阻和施密特触发器以避免干扰：

无论处于何种模式下，多路通道复用器，D/A寄存器，LFO，输出分频器都是开启的。

当S1的管脚电压高于Vdd2.5倍时，将会进入EEPROM修改模式，此属于内置的调试端口。

OUT管脚在待机模式下，会每个3s输出一个脉冲：

请注意，在adc比较信号输出模式时，它不会输出这个3s一次的脉冲信号。

RST管脚可输出一个低脉冲信号，间隔是52mins，可作为外部单片机的定时复位信号。

==DATA和CLK组成单路串行通信，都具有下拉电阻和施密特触发器以避免干扰。==这两个直接连到单片机的IO管脚就好，然后使用模拟SPI协议传输数据。

3.MPXY8020A的性能参数

3.1 待机电流在1uA级别及以下，温度测量电流在400uA，压力测量电流在1300uA左右。

3.2 温度测量公式和误差如下图所示：

3.3 压力测量公式及误差如下所示：

4. 数据通信及程序编写

4.1 时序约束

根据表上要求，data边沿到clk的上升沿，其(data)电平建立时间最小需要100ns，然后此后data数据还要保持100ns才能更改，所以MCU的IO电平翻转速率要小于5Mhz，即通信速率要小于5Mhz。

可以看到，每一次数据输入的大小是一个字节，即8位。在每一个时钟的上升沿读取数据，在第8个下降沿把数据移向D/A数据寄存器中。

根据上表的要求，测量时，测量模式需要维持一段时间，温度为200us，压力为500us。

在读取MPXY8020A输出结果时(高低电平)，需要一段响应时间，为50~100us.

采样电容的保持时间在20ms左右，超过这个时间需要手动刷新数据。

4.2 数据采样过程

信号的采样分两步完成：首先是把采样电容上的信号转换为电压信号，然后用开关式电容放大器对信号进行放大，以提高采样的准确度。

信号值的大小通过电压比较器确定。在信号转换前，外部微控制器通过MPXY8020A的数字接口输入8位极限值。片内8位DAC(数模转换器)把该值转换成相应的模拟电压，电压比较器把采样的电压值与该值进行比较，在OUT引脚输出比较后的结果。当采样值高于输入值时，OUT引脚为高电平；反之，为低电平。

也就是说，MPXY8020并不能输出任何数字信号，只能接收数字信号输入，然后通过一个D/A模块转变成模拟信号和采集到的数据对比，输入大或小两种状态。

因此如果只是阈值判断，编程非常简单，那就是把要判断的阈值输入进去就行了，然后判断输出管脚的高低就行。

如果想要得到准确的测量值，可以使用二次逼近法进行测量。即采用二分法进行多次比较。8位ADC，需要使用8次二分法，然后就可以把值确定在一个最小的区间里面。

因此，每次读温度数据需要$(1us\ast 8+200us+50us)\ast 8=2ms$或者最大2.4ms，每次读压力数据需要4.4ms至4.8ms。

需要注意，DAR(也就是存储8位极限值，对比值)的寄存器只能在待机模式或输出比较结果模式中可以写入。

4.3 代码设计

模拟SPI设计，根据时序图，CLK低电平为空闲模式，并在第一个上升沿采样，因此数据线信号先行，数据线低电平为0，高电平为1。

请注意，数据是高位先行。

这里延时1us是用于数据建立时间，数据保持时间应在CLK_H后再延迟一段时间，但这里没有这么做。原理很简要，目标单片机速率并不快，而且电路状态改变并不快，因此在下次data信号改变达到时，原来的数据已成功写入了。如果数据写入存在问题，则可以额外增加上延时函数，或者增长延时时间。

由于这里是整型数据，所以二次逼近法可设计成如下程序：

很明显，取值区间在0~255.

4.4 实际代码编写，基于msp430系列单片机

初始化管脚。

S1，S0，CLk，data，初始化为输出。

OUT和 RST，初始化为输入。

//mpxy8020a io口初始化
void mpxy8020a_io_init(void)
{
    //S1，S0，CLk，data，输出
    P2DIR |= BIT0+BIT2+BIT3+BIT4;
    P2OUT &=~(BIT0+BIT2+BIT3+BIT4);//输出置低
    (P2OUT|=(BIT2));
    (P2OUT&=~(BIT2));
    delay_ms(1);
    //OUT和 RST，输入
    P2DIR &=~(BIT1+BIT5);
    P2REN |=(BIT5);
    P2OUT |=(BIT5);//RST上拉
}

管脚宏定义，屏蔽底层硬件接口：

//管脚宏定义
#define MPXY8020A_S0_H      (P2OUT|=(BIT2))
#define MPXY8020A_S0_L      (P2OUT&=~(BIT2))

#define MPXY8020A_S1_H      (P2OUT|=(BIT0))
#define MPXY8020A_S1_L      (P2OUT&=~(BIT0))

#define MPXY8020A_CLK_H     (P2OUT|=(BIT3))
#define MPXY8020A_CLK_L     (P2OUT&=~(BIT3))

#define MPXY8020A_DATA_H    (P2OUT|=(BIT4))
#define MPXY8020A_DATA_L    (P2OUT&=~(BIT4))

#define MPXY8020A_OUT_IN    (P2IN&(BIT1))

//延时函数宏定义
#define delayus(x)    delay_us(x)

四种模式切换代码，插入必要的延时。

//测量温度
void mpxy8020a_measure_temperature(void)
{
    MPXY8020A_S0_L;
    MPXY8020A_S1_H;
    delayus(200);//等待测量结束
}

//测量压力
void mpxy8020a_measure_pressure(void)
{
    MPXY8020A_S0_H;
    MPXY8020A_S1_L;
    delayus(500);//等待测量结束
}
//待机模式
void mpxy8020a_standby(void)
{
    MPXY8020A_S0_L;
    MPXY8020A_S1_L;
    delayus(50);//等待一会
}
//读输出比较结果模式
void mpxy8020a_read(void)
{
    MPXY8020A_S0_H;
    MPXY8020A_S1_H;
    delayus(50);//等待读响应到来
}

发送一个字节数据给MPXY8020A：

//向MPXY8020a发送一个数据
void mpxy8020a_send_byte(char c)
{
    int i;
    for(i=7;i>=0;i--)
    {
        if(c&(1<<i))//高位在前
            MPXY8020A_DATA_H;
        else
            MPXY8020A_DATA_L;
        MPXY8020A_CLK_L;
        //cpu主频低于 1Mhz就不需要延时
        delay_us(10);
        MPXY8020A_CLK_H;
        delay_us(10);
    }
    MPXY8020A_CLK_L;
}

获取温度的代码：

//计算结果数据，放大100倍
int mpxy8020a_get_temperature(void)
{
    int min=0,max=255;
    int value=0,output=0;
    double temp=0.0;

    while(1)
    {
        value=(int)((min+max)/2);//取一半的值

        //待机模式下发送数据
        mpxy8020a_standby();
        //发送数据
        mpxy8020a_send_byte((char)(value&0xff));
        //开启测量
        mpxy8020a_measure_temperature();
        //输出结果
        mpxy8020a_read();
        if(MPXY8020A_OUT_IN)//判断是否为真
        {
            //真表示实际值大于给出的阈值
            if(max-min<=2)
            {
                output=max;
                break;//可以结束了
            }
            else
            {
                min=value;//重新选取范围
            }
        }
        else
        {
            //此时给出的阈值大于真实值
            if(max-min<=2)
            {
                output=min;
                break;//可以结束了
            }
            else
            {
                max=value;//重新选取范围
            }
        }
    }
    //待机模式下发送数据
    mpxy8020a_standby();
    //根据公式计算实际温度值 output=74.7461 + 0.9752*Temperature+0.0041*(Temperature)^2
    //解此方程可得
    //注意精准计算需要根据数据手册制表查找，并且根据实际情况进行校准。
    temp=sqrt(-4087.1654+(double)output/0.0041)-118.926829;

    return (int)(temp*100);
}

获取压力的代码：

//计算结果数据
int mpxy8020a_get_pressure(void)
{
    float pressure_error=7.5;//3.0v 25摄氏度误差，具体根据手册的表格确定
    int min=0,max=255;
    int value=0,output=0;
    double temp=0.0;

    while(1)
    {
        value=(int)((min+max)/2);//取一半的值

        //待机模式下发送数据
        mpxy8020a_standby();
        //发送数据
        mpxy8020a_send_byte((char)(value&0xff));
        //开启测量
        mpxy8020a_measure_pressure();
        //输出结果
        mpxy8020a_read();
        if(MPXY8020A_OUT_IN)//判断是否为真
        {
            //真表示实际值大于给出的阈值
            if(max-min<=2)
            {
                output=max;
                break;//可以结束了
            }
            else
            {
                min=value;//重新选取范围
            }
        }
        else
        {
            //此时给出的阈值大于真实值
            if(max-min<=2)
            {
                output=min;
                break;//可以结束了
            }
            else
            {
                max=value;//重新选取范围
            }
        }
    }
    //待机模式下发送数据
    mpxy8020a_standby();
    //根据公式计算实际气压值temp=output*2.5+-(pressure-error)
    //注意精准计算需要根据数据手册制表查找，并且根据实际情况进行校准。
    //不减去误差
    temp=(double)output*2.5;
    return (int)(temp);
}

使用时，依次调用，后面两个函数即可。

5. 封装信息

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