SPI-Bus-Kommunikation mit HCE-Sensor - Sensortechnics

SPI-Bus-Kommunikation mit digitalen Drucksensorender HME- und HCE-Serie1 EINFÜHRUNG1.1 Digitale DrucksensorenDie digitalen Drucksensoren der HME- undHCE-Serie nutzen einen internen ASIC zurKalibrierung, Temperaturkompensation undAusgabe eines fehlerkorrigierten digitalenAusgangssignals. Bei der HCE-Serie stehtzusätzlich ein analoges Ausgangssignal zurVerfügung. Die Reaktionszeit der Sensoren istabhängig von der eingestellten Auflösung undbeträgt bei 12 Bit typisch 0,5 ms.Die HME- und HCE-Sensoren sind für die SPI-Bus-Kommunikation konfiguriert.1.2 Serial Peripheral Interface (SPI)Das Serial Peripheral Interface (SPI) ist einBus-System zur synchronen, seriellenDatenübertragung zwischen einem Master undeinem oder mehreren Slaves (theoretisch sindbeliebig viele Slaves möglich). Die Übertragungfunktioniert im Vollduplex, d.h. die Daten fließenin beide Richtungen gleichzeitig. Der Mastererzeugt Takt- und Steuersignale und starteteine Datenübertragung indem er einen Slaveauswählt. Jeder Slave wird vom Master übereine eigene Leitung (Slave Select)angesprochen und ist nur aktiv wenn erausgewählt wurde.Der SPI-Bus besteht aus zwei Signal- und zweiDatenleitungen:· Slave Select (SS)· Signal Clock (SCK)· Master Out - Slave In (MOSI)· Master In - Slave Out (MISO)Alle Leitungen sind unidirektional.D / 11156 / D1/11www.first-sensor.comwww.sensortechnics.com

SPI-Bus-Kommunikation mit digitalen Drucksensorender HME- und HCE-Serie2 BUS-AUFBAU2.1 SCK (Signal Clock)Der Takt wird vom Master erzeugt und dientdazu, alle angeschlossenen Geräte zusynchronisieren.2.2 SS (Slave Select)Jeder Slave wird vom Master über eine eigeneSlave-Select-Leitung angesprochen. DerMaster wählt einen bestimmten Slave aus,indem er die entsprechende Slave-Select-Leitung auf Masse (LOW) zieht. Die möglicheAnzahl von Slaves innerhalb eines Bus-Systems ist nur durch die Anzahl der Slave-Select-Anschlüsse am Master begrenzt.2.3 MOSI (Master Out - Slave In)Auf der MOSI-Leitung überträgt der MasterDaten zum Slave.2.4 MISO (Master In - Slave Out)Auf der MISO-Leitung überträgt der SlaveDaten zum Master.MasterSCKMOSIMISOSS1SS2SS3SCKMOSIMISOSSSlave 1SCKMOSIMISOSSSlave 2SCKMOSIMISOSlave 3SSBild 1:Beispiel eines SPI-Bus-Aufbaus mit einem Master und mehreren SlavesD / 11156 / D2/11www.first-sensor.comwww.sensortechnics.com

SPI-Bus-Kommunikation mit digitalen Drucksensorender HME- und HCE-Serie3 SPI-BUS-PROTOKOLL3.1 DatenübertragungZu Beginn einer Datenübertragung wählt derMaster einen bestimmten Slave aus, indem erdie entsprechende Slave-Select-Leitung aufMasse (LOW) zieht. Daraufhin schreibt derMaster seine Daten in ein Ausgaberegister undbeginnt nach einer kurzen Verzögerungszeit mitdem Senden des Taktsignals (siehe 4.5Zeitbedingungen).Der Datentransfer findet im Vollduplex überSchieberegister im Master und im Slave statt.Mit jedem Taktpuls schiebt der Master einenWert auf der MOSI-Leitung zum Slave währendder Slave gleichzeitig einen Wert auf der MISO-Leitung zum Master überträgt (siehe Bild 2). DieDatenübertragung endet, sobald die Slave-Select-Leitung wieder auf HIGH gesetzt wird.HINWEIS:Für die HME- und HCE-Drucksensorenentfällt die Notwendigkeit einer MOSI-Leitung, da keine Daten zum Sensorübertragen werden müssen. Dahermacht es für einige Anwendungen Sinn,den MOSI-Eingang des Sensors nichtmit dem Master-Mikrocontroller zuverbinden sondern direkt über einenPull-up-Widerstand auf einpermanentes HIGH-Niveau zu legen.(siehe Punkt 5, Anwenderschaltung).MasterSSSSSlaveSCKSCKMOSIMOSIMISOMISO7 0 7 0Bild 2:Datenübertragung zwischen Master und Slave über SchieberegisterD / 11156 / D3/11www.first-sensor.comwww.sensortechnics.com

SPI-Bus-Kommunikation mit digitalen Drucksensorender HME- und HCE-Serie3.3 Verlauf der Datenübertragung3.3.1 CPHA=0Wird CPHA auf 0 gesetzt, werden die Daten mitder ersten Flanke des Taktsignalsübernommen. Die Polarität CPOL bestimmt, obes sich dabei um eine steigende oder fallendeFlanke handelt. Bei CPOL=0 ist der Takt imRuhezustand auf LOW-Pegel; die erste Flankeist also eine steigende Flanke. Bei CPOL=1 istder Takt im Ruhezustand auf HIGH-Pegel; dieerste Flanke ist also eine fallende Flanke.HINWEIS:Der in Bild 3 und 4 dargestellte Verlaufder Datenübertragung beschreibt dieTheorie des SPI-Busses. Zu denBesonderheiten der HME- und HCE-Drucksensoren beachten Sie bittePunkt 4.5, Zeitbedingungen.Die Polarität des Taktes beeinflusst jedoch nichtden Zeitpunkt der Datenübernahme und damitauch nicht den Verlauf der Datenübertragungwie in Bild 3 dargestellt.SCK-Zyklus 1 2 3 4 5 6 7 8SCK(CPOL=0)SCK(CPOL=1)MOSIMSBLSBMISOMSBLSBSSDatenübernahmeEnde desRuhezustandsBeginn desRuhezustandsBild 3:Beispiel einer 1 Byte SPI-Datenübertragung für CPHA=0D / 11156 / D5/11www.first-sensor.comwww.sensortechnics.com

SPI-Bus-Kommunikation mit digitalen Drucksensorender HME- und HCE-Serie3.3.2 CPHA=1Wird CPHA auf 1 gesetzt, werden die Daten mitder zweiten Flanke des Taktsignalsübernommen. Die Polarität CPOL bestimmt, obes sich dabei um eine steigende oder fallendeFlanke handelt. Bei CPOL=0 ist der Takt imRuhezustand auf LOW-Pegel und steigt nachder ersten Flanke auf HIGH-Pegel; die zweiteFlanke ist also eine fallende Flanke. BeiCPOL=1 ist der Takt im Ruhezustand aufHIGH-Pegel und fällt nach der ersten Flankeauf LOW-Pegel; die zweite Flanke ist also einesteigende Flanke.Die Polarität des Taktes beeinflusst jedoch nichtden Zeitpunkt der Datenübernahme und damitauch nicht den Verlauf der Datenübertragungwie in Bild 4 dargestellt.SCK-Zyklus 1 2 3 4 5 6 7 8SCK(CPOL=0)SCK(CPOL=1)MOSIMSBLSBMISOMSBLSBSSDatenübernahmeEnde desRuhezustandsBeginn desRuhezustandsBild 4:Beispiel einer 1 Byte SPI-Datenübertragung für CPHA=1D / 11156 / D6/11www.first-sensor.comwww.sensortechnics.com

SPI-Bus-Kommunikation mit digitalen Drucksensorender HME- und HCE-Serie4 SPI-BUS DATENÜBERTRAGUNG MIT HME- UND HCE-DRUCKSENSOREN4.1 Auslesen von DruckwertenUm eine Datenübertragung zu beginnen, ziehtder Master die Slave-Select-Leitung zumDrucksensor auf Masse (LOW). Der Druckwertwird als 15-Bit-Information in 3 Daten-Bytesübertragen (siehe Bild 5). Die digitalenDrucksensoren der HME- und HCE-Serie sindnicht für den Datenempfang ausgelegt. Es wirdempfohlen auf der MOSI-Leitung nur HIGH-Pegel (=1) zu übertragen um den Sensor nichtzu stören (siehe auch Hinweis bei 3.1). Weil derMaster zu Beginn evtl. doch Befehle zumSensor schickt, werden die Druckwerte zurSicherheit erst ab dem zweiten Daten-Byteübertragen und das erste Byte bleibt ohneInformation (der Sensor überträgttypischerweise 0xFFh). Der eigentlicheDruckwert in Byte 2 und 3 beginnt mit demhochwertigsten Bit (MSB) zuerst.Die Datenübertragung wird beendet, sobald derMaster die Slave-Select-Leitung wieder aufHIGH-Pegel setzt. Bleibt die Slave-Select-Leitung nach dem dritten Byte unverändert aufLOW-Pegel, sendet der Sensor fortlaufendDruckwerte an den Master. Diese Druckwertesind dann jeweils nur 2 Byte lang.4.2 Auslesen von Temperaturwerten (optional)Optional kann der Sensor ab Werk für dieAusgabe von 15 Bit langen TemperaturwertenHINWEIS 1:Die HME- und HCE-Drucksensoren sindfür die Übertragung von 3 bzw. 2zusammenhängenden Datenbytesausgelegt. Zwischen den einzelnenBytes darf die Slave-Select-Leitung nichtauf HIGH gesetzt werden, da es sonst zueinem Abbruch der Übertragung kommt.HINWEIS 2:Bei einer Taktfrequenz von 500 kHzdauert die Übertragung der ersten 3Bytes ca. 50 µs. Die folgenden 2 Byte-Druckwerte benötigen ca. 32 µs.Allerdings beträgt die interneDurchlaufzeit zur Berechnung undAusgabe eines neuen Druckwerts z.B.beim HCE-Sensor bei einer Auflösungvon 14 Bit 500 µs. Deshalb empfängtder Master bei einer kontinuierlichenAbfrage des Sensors mindestens 14 malden selben Druckwert!Für weitere Informationen stehen wirIhnen gerne zur Verfügung.programmiert werden. Diese werden dann alsByte 4 und 5 nach dem Druckwert ausgegeben.Wird die Datenübertragung danach nichtbeendet, liefert der Sensor fortlaufende 4 Bytelange kombinierte Druck- und Temperaturwerte.MOSIMISODaten-Byte 1 Daten-Byte 2 Daten-Byte 31 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1X X X X X X X X X P14 P13 P12 P11 P10 P9 P8 P7 P6 P5 P4 P3 P2 P1 P0Relevante DatenBild 5:3-Byte-Datenübertragung eines 15 Bit langen DruckwertesD / 11156 / D7/11www.first-sensor.comwww.sensortechnics.com

SPI-Bus-Kommunikation mit digitalen Drucksensorender HME- und HCE-Serie4.3 Berechnung des Druckwerts aus demDigitalwertMit Hilfe der folgenden Formeln kann aus derdigitalen Druckwert-Information der tatsächlichephysikalische Druckwert berechnet werden:Outmax− OutminS =P − P(1)maxminP − OutP +Scounts min= Pmin(2)Für einen ausgegebenen digitalenDruckmesswert von z.B.P counts= 20608 counts dezimalberechnet sich der physikalischeDruckmesswert nach Formel (2) zu:20608 counts −1638 countsP =+ ( −100mbar)131,07counts / mbarP = 44,73mbarDefinitionen:S = Empfindlichkeit [counts/mbar]Out max= Ausgabe bei max. Druck [counts]Out min= Ausgabe bei min. Druck [counts]P max= Druckbereichs-Endwert [mbar]P min= Druckbereichs-Anfangswert [mbar]P = Druckmesswert [mbar]= Digitaler Druckmesswert [counts]P countsAls Berechnungsbeispiel dient der DrucksensorHCEM100DB... mit einem bidirektionalenDruckbereich von 0…±100 mbar. Für diefolgenden Berechnungen werden die typischenKalibrierwerte verwendet. Die individuellenSensoren können hiervon geringfügigabweichen (die entsprechenden Toleranzensind im HCE-Datenblatt angegeben).4.4 AuflösungJeder Druck- und Temperaturwert wird als15-Bit-Information übertragen. Die tatsächlicheAuflösung des Messwerts ist jedoch abhängigvon der Einstellung des internen A/D-Wandlersdes Sensors und kann daher geringer sein. DieAuflösung kann sich außerdem durch interneRechenvorgänge und Verluste bei derAbtastung des Signals (Fensterung)verschlechtern. Beim HCE-Drucksensor beträgtdie interne Auflösung typischerweise 14 Bit,beim HME-Drucksensor typischerweise 12 Bit.Die erreichbare Auflösung der Temperaturmessungwird zusätzlich durch die Empfindlichkeit desSensorelements beschränkt. Für weitereInformationen stehen wir Ihnen gerne zurVerfügung.Out min(-100 mbar) = 0666 hex = 1638 decOut max(+100 mbar) = 6CCC hex = 27852 decDie Empfindlichkeit des Sensors berechnet sichaus Formel (1) wie folgt:27852counts −1638 countsS =100mbar − ( −100mbar)S = 131,07 counts/mbarD / 11156 / D8/11www.first-sensor.comwww.sensortechnics.com

SPI-Bus-Kommunikation mit digitalen Drucksensorender HME- und HCE-SerieParameterS ymbolM in.T yp.Max.EingehenderHIGH-Pegel90100EingehenderLOW-Pegel0 10AusgehenderLOW-Pegel10Unit% von VsPull-Up-Widerstand500ΩLastkapazitätC MISO400EingangskapazitätC SPI_IN10pFSCK TaktfrequenzfS CK100*640kHzMISO Halte-Zeit nach SCK-FlanketSPI_HD_MISO200nsMOSISetup-Zeit vor SCK-Flanket 2/fSPI_SU_MOSICLK/ SS Setup-Zeit vor SCK-FlanketSPI_SU_SS10ns/ SS Halte-Zeit nach SCK-FlanketSPI_HD_SS1/fCLK* empfohlen (siehe Hinweis Seite 10)Tabelle 2: Parameter und Zeitbedingungen für die SPI-Bus Kommunikation mit HME- und HCE-Drucksensoren4.5 ZeitbedingungenFür eine korrekte Datenübertragung muss derDrucksensor die Startbedingung (Slave-Select-Leitung geht auf LOW) erkennen, bevor derMaster den ersten Taktpuls sendet. Daher istvom Master eine Mindest-Verzögerungszeitt SPI_SU_SSvor dem ersten Taktpuls einzuhalten(siehe Tabelle 2 und Bild 6). Nach dem letztenTaktpuls der Datenübertragung muss außerdemeine Mindest-Verzögerungszeit t SPI_HD_SSeingehalten werden bevor der Master dieKommunikation beendet (Slave-Select-Leitunggeht wieder auf HIGH).SCK(CPOL=0)MOSIMISOSStSPI_SU_SStSPI_SU_MOSItSPI_HD_MISOtSPI_HD_SSDie Zeitbedingungen werden vom Masterüberwacht und können unter anderem vonfolgenden Bedingungen beeinflusst werden:· der Betriebsart (SPI-Mode)· der Bus-Geschwindigkeit· der Anwenderschaltung, z.B. der Größe derPull-Up-Widerstände· dem Platinenlayout, z.B. der kapazitivenLast und der Impedanz der Bus-LeitungenD / 11156 / DBild 6:SPI-Bus-ZeitbedingungenDie HME- und HCE-Drucksensoren ändern ihreDaten entgegen dem in Bild 3, Seite 5dargestellten theoretischen Verlauf bereits kurznach der für die Datenübertragung gültigensteigenden Flanke (siehe Bild 6), wobei eineMindesthaltezeit t SPI_HD_MISOeingehalten wird.Insbesondere bei langsamer Bus-Geschwindigkeit kann so der Eindruckentstehen, als würde die Übertragung nicht mitder steigenden, sondern mit der fallenderFlanke (CPAH=1) stattfinden (vgl. 3.3.2, Bild 4).9/11www.first-sensor.comwww.sensortechnics.com

SPI-Bus-Kommunikation mit digitalen Drucksensorender HME- und HCE-Serie4.6 ÜbertragungsgeschwindigkeitDie maximal erlaubte Bus-Geschwindigkeit wirddurch die interne Taktfrequenz des Sensorsbestimmt, die temperatur- und fertigungsbedingtenSchwankungen unterliegt. UnterAnnahme der ungünstigsten Bedingungenbeträgt die max. erlaubte SPI-Bus-Taktfrequenzdaher 640 kHz für alle Standardsensoren derHME- und HCE-Serie. Sie kann in einerSondereinstellung auf 730 kHz erhöht werden.4.7 Elektromagnetische StörungenDie steilen Flanken der Signale die auf demSPI-Bus übertragen werden, können elektromagnetischeStörungen verursachen. Speziellbei sehr niedrigen Druckbereichen und bei sehrnahe aneinander liegenden Bus-Leitungen bzw.IC's, kann dies zu Störungen des von der Sensor-Messbrücke erzeugten analogen mV-Signals führen.Bei gleichzeitiger Nutzung der digitalenSchnittstelle und des analogen Spannungsausgangssollten die betreffenden Leitungen soweit wie möglich voneinander getrennt liegen.Zusätzlich empfehlen sich Entstörkondensatorenvon 220 nF zwischen Versorgungsspannungund Masse und 15 nF zwischen analogemAusgang und Masse. Die Kondensatorensollten so nah an den Pins des Sensors plaziertwerden wie möglich.5 ANWENDERSCHALTUNGAlle Bus-Leitungen müssen über jeweils einenPull-Up-Widerstand an die Versorgungsspannungangeschlossen werden (siehe Bild 7).Es werden 4,7 kΩ Widerstände empfohlen.Zusätzlich sollten in allen Bus-LeitungenWiderstände von max. 330 Ω in Reihegeschaltet werden.HINWEIS:Zur Verhinderung elektromagnetischerStörungen wird eine Taktfrequenz vonmin. 100 kHz (max. 640 kHz) undÜbertragungspausen von min. 500 µszwischen zwei Druckwertübertragungenempfohlen. Dies ist vor allem für alleNiedrigstdruckversionen bis 25 mbarrelevant. Für weitere Informationenstehen wir Ihnen gerne zur Verfügung.+V s4k74k74k74k7MOSI330MOSISensorMISO330MISOSS330SSSCK330SCKBild 7:SPI-Bus Anwenderschaltung für HME- und HCE-DrucksensorenD / 11156 / D10/11www.first-sensor.comwww.sensortechnics.com

SPI-Bus-Kommunikation mit digitalen Drucksensorender HME- und HCE-Serie6 BEISPIEL EINER SPI-BUS-PROGRAMMIERUNGbyte dont_care;byte byte_msb, byte_lsb;int16 pressure;// 8bit values// 8bit values// 16bit value// If your controller does not control the /SS pin, you'll need to configure it yourself// Set output value to 1/high state (SPI in idle state)pin_ss = 1;// Set pin to outputset_inout_mode(pin_ss, PIN_OUT);// Set SPI unit to SPI master mode, clock speed 100 kHz and SPI mode 0 (CPHA = 0 & CPOL = 0)configureSPI (SPI_MASTER | CLK_SPEED_100KHZ | SPI_MODE_0);// Set /SS Pin low (Start communication)pin_ss = 0;// Transfer one byte over SPI bus (send 0xFF, write received data to dont_care (discard first byte))SPI_transfer (0xFF, &dont_care);// Transfer one byte over SPI bus (send 0xFF, write received data to byte_msb)SPI_transfer (0xFF, &byte_msb);// Transfer one byte over SPI bus (send 0xFF, write received data to byte_lsb)SPI_transfer (0xFF, &byte_lsb);// Set /SS pin high (End communication)pin_ss = 1;// Put both values togetherpressure = ((int16)byte_msb