Communication par bus SPI avec les capteurs de ... - Sensortechnics

Communication par bus SPI avec les capteurs de pression digitauxde la série HCE de Sensortechnics1 INTRODUCTION1.1 Capteurs de pression digitauxLes capteurs de pression digitaux utilisent unASIC interne pour la calibration digitale et lacompensation en température et fournissent unsignal de sortie digital d’une résolution allantjusqu’à 15 bits. En plus de cela, les capteursdisposent d’un signal de sortie analogique. Letemps de réponse du capteur dépend de larésolution choisie, en 12 bits il est de 0,5 ms.Les capteurs de pression digitaux deSensortechnics sont configurés pour lacommunication par bus I²C ou SPI.REMARQUE:Cette note d’application concerneuniquement la communication par busSPI et spécialement les capteurs depression standard HCE deSensortechnics.1.2 La liaison SPI(Serial Peripheral Interface)La liaison SPI (Serial Peripheral Interface) estun bus pour la transmission synchrone dedonnées „série“ entre un maître et un ouplusieurs esclaves (en théorie, il n’y a pas delimitations dans le nombre d’esclaves). Latransmission a lieu en Full Duplex, c’est-à-direque les données circulent simultanément dansles deux sens. Le maître génère l’horloge etinitialise une transmission de données ensélectionnant l’esclave avec qui il veutcommuniquer. Chaque esclave est adressé parle maître par une ligne individuelle SS (SlaveSelect) et n’est actif que lorsqu’il estsélectionné.Le bus SPI est composé de deux lignes designal et deux lignes de données:· Slave Select (SS)· Horloge (SCK)· Master Output, Slave Input (MOSI)· Master Input, Slave Output (MISO)Toutes ces lignes sont unidirectionnelles.F / 11156 / C1/11www.sensortechnics.com

Communication par bus SPI avec les capteurs de pression digitauxde la série HCE de Sensortechnics2 CONFIGURATION DU BUS2.1 SCK (Horloge)L’horloge est générée par le maître et sert à lasynchronisation de tous les appareilsconnectés.2.2 SS (Slave Select)Chaque esclave est adressé par le maître parune ligne individuelle SS. Le maître sélectionneun esclave donné en mettant sa ligne SS auniveau BAS. Le nombre possible d’esclaves ausein d’un tel système de bus n’est limité quepar le nombre possible de raccordements SSdu maître.2.3 MOSI (Master Output - Slave Input)Sur la ligne MOSI le maître transmet desdonnées à l’esclave.2.4 MISO (Master Input - Slave Output)Sur la ligne MISO l’esclave transmet desdonnées au maître.MaîtreSCKMOSIMISOSS1SS2SS3SCKMOSIMISOSSEsclave 1SCKMOSIMISOSSEsclave 2SCKMOSIMISOEsclave 3SSFigure 1: Exemple de configuration de bus SPI avec un maître et plusieurs esclavesF / 11156 / C2/11www.sensortechnics.com

Communication par bus SPI avec les capteurs de pression digitauxde la série HCE de Sensortechnics3 PROTOCOLE DU BUS SPI3.1 Transmission de donnéesPour démarrer une transmission de données, lemaître sélectionne un esclave en mettant saligne SS respective au niveau BAS. Ensuite, lemaître transfert ses données dans le registrede sortie et rapidement après il commence àgénérer le signal d’horloge (voir paragraphe 4.5Chronogrammes).La transmission de données a lieu en FullDuplex en utilisant des registres à décalageaussi bien par le maître que par l’esclave. Avecchaque coup d’horloge le maître envoie sur laligne MOSI une donnée à l’esclave pendantque l’esclave envoie simultanément unedonnée au maître sur la ligne MISO (voir Fig 2).La transmission de données est terminée dèsque la ligne SS est remise au niveau HAUT.REMARQUE:Pour les capteurs de pression pourbus SPI de Sensortechnics une ligneMOSI n’est pas nécessaire car aucunedonnée ne doit être transmise vers lecapteur. C’est pourquoi, pour certainesutilisations il est recommandé de nepas relier l’entrée MOSI du capteur aumicrocontrôleur du maître, mais de lapositionner à un niveau HAUTpermanent par une résistance de pullup(voir également paragraphe 5Exemple d’application).MaîtreSSSSEsclaveSCKSCKMOSIMOSIMISOMISO7 0 7 0Figure 2: Transmission de données entre maître et esclave par registres à décalageF / 11156 / C3/11www.sensortechnics.com

Communication par bus SPI avec les capteurs de pression digitauxde la série HCE de Sensortechnics3.2 Mode de serviceLe protocole bus SPI détermine le type designal d’horloge (SCK) grâce à deuxparamètres: le bit de poids fort CPOL (ClockPolarity) et le bit de poids faible CPHA (ClockPhase). Ils en résultent quatre différents modesde transmission comme indiqués en Tab 1. Cesparamètres de réglage déterminent sur quelfront d’horloge les données sont transmises, età quel moment ces données peuvent êtremodifiées.Pour une transmission de données correcte ilest important que ces paramètres soient réglésde manière identique pour tous les appareilsreliés au bus.3.2.1 CPOL (Clock Polarity)Le CPOL détermine si au repos l’horloge estsur le niveau BAS (CPOL=0) ou HAUT(CPOL=1).3.2.2 CPHA (Clock Phase)Le CPHA détermine à quel front de l’horloge lesdonnées sont transmises. CPHA=0 signifie queles données sont valides au premier frontd’horloge, CPHA=1 qu’elles sont valides audeuxième front.ModeSPI CPOL0 0 01 0 12 1 03 1 1Tableau 1: Modes de transmission SPICPHAREMARQUE:En mode standard, les capteurs depression digitaux pour bus SPI deSensortechnics sont programmésavec CPHA = 0 et CPOL = 0. En règlegénérale, ces capteurs acceptent les 4différents modes. Pour plusd’informations veuillez vous adresser àSensortechnics.F / 11156 / C4/11www.sensortechnics.com

Communication par bus SPI avec les capteurs de pression digitauxde la série HCE de Sensortechnics3.3 Format du transfert de données3.3.1 CPHA = 0Lorsque CPHA est mis à 0, les données sontvalides au premier front du signal d’horloge. Lapolarité CPOL détermine s’il s’agit d’un frontmontant ou descendant. A CPOL=0, au repos,l’horloge est sur le niveau BAS; le premier frontest donc un front montant. A CPOL=1, aurepos, l’horloge est sur le niveau HAUT; lepremier front est donc un front descendant.REMARQUE:Le format de transmission de donnéesindiqué en Fig 3 et 4 décrit la théoriegénérale du bus SPI. Concernant lescaractéristiques des capteurs depression HCE veuillez consulter leparagraphe „4.5 chronogrammes“.Cependant, la polarité de l’horloge n’a pasd’influence sur le moment où le premier bit dedonnées est valide et par conséquent n’a pasd’effet sur le format du transfert de données,comme indiqué en Fig 3.Cycle SCK 1 2 3 4 5 6 7 8SCK(CPOL=0)SCK(CPOL=1)MOSIMSBLSBMISOMSBLSBSSRéceptionde donnéesFin del'état de reposDébut del'état de reposFigure 3: Exemple d’une transmission de données SPI de 1 octet pour CPHA=0F / 11156 / C5/11www.sensortechnics.com

Communication par bus SPI avec les capteurs de pression digitauxde la série HCE de Sensortechnics3.3.2 CPHA = 1Lorsque CPHA est mis à 1, les données sontréceptionnées avec le deuxième front du signald’horloge. La polarité CPOL détermine s’il s’agitd’un front montant ou descendant. AvecCPOL=0, au repos, l’horloge est sur le niveauBAS et monte au niveau HAUT après lepremier front; le deuxième front est donc unfront descendant. Avec CPOL=1, au repos,l’horloge est au niveau HAUT et descend auniveau BAS après le premier front; le deuxièmefront est donc un front montant.Cependant, la polarité de l’horloge n’a pasd’influence sur le moment où le premier bit dedonnées est valide et par conséquent n’a pasd’effet sur le format du transfert de données,comme indiqué en Fig 4.Cycle SCK 1 2 3 4 5 6 7 8SCK(CPOL=0)SCK(CPOL=1)MOSIMSBLSBMISOMSBLSBSSRéceptionde donnéesFin del'état de reposDébut del'état de reposFigure 4: Exemple d’une transmission de données SPI de 1 octet pour CPHA=1F / 11156 / C6/11www.sensortechnics.com

Communication par bus SPI avec les capteurs de pression digitauxde la série HCE de Sensortechnics4 TRANSMISSION DE DONNEES SUR BUS SPI AVEC LES CAPTEURS DEPRESSION HCE4.1 Lecture de valeurs de pressionPour démarrer une transmission de données, lemaître met la ligne „Slave Select“ (SS) ducapteur de pression à l’état BAS (masse). Lavaleur de pression est transmise sous formed’un mot de 15 bits à l’intérieur d’un suite de 3octets de données (voir Fig 5). Les capteurs depression digitaux des séries HCE deSensortechnics ne sont pas conçus pourrecevoir des données. Il est donc recommandéde ne transmettre sur la ligne MOSI que desniveaux HAUTS (=1) pour éviter toute perturbationou mauvaise interprétation du capteur (voirégalement la remarque au paragraphe 3.1).Etant donné que le maître est tout de mêmesusceptible d’envoyer un ordre au capteur endébut de transfert, par sécurité les valeurs depression ne sont transmises qu’après le deuxièmeoctet de données et le premier octet est nonsignificatif(le capteur transmet 0xFFh). La valeurde pression réelle, contenue dans les octets 2 et3, commence avec l’octet de poids le plus fort (MSB).La transmission de données est terminée dèsque le maître remet la ligne SS au niveauHAUT. Si après le troisième octet la ligne SSdemeure au niveau BAS, le capteur envoie encontinu des valeurs de pression au maître. Cesvaleurs de pression n’ont alors qu’une longueurde 2 octets chacune.4.2 Lecture de la valeur de la températureEn option, le capteur peut être programmé enusine pour fournir la valeur de la températureREMARQUE 1:Les capteurs de pression bus SPI deSensortechnics sont conçus pour latransmission de 3 ou de 2 octets dedonnées. Entre ces octets la ligne SSne doit pas être mise au niveau HAUTpour ne pas causer une interruption dela transmission.REMARQUE 2:A une fréquence d’horloge de 500 kHzla transmission des trois premiersoctets dure environ 50 µs. Les valeursde pression suivantes de 2 octetschacunes nécessitent environ 32 µs.Cependant en mode standard 14 bitsdu capteur HCE, le temps du cycle deconversion pour obtenir une nouvellevaleur est de 500 µs. C’est pourquoi,lors d’une cession de lecture continuedu capteur, le maître reçoit au moins14 fois la même valeur de pression!Pour plus d’informations, veuillezcontacter Sensortechnics.codée sur 15 bits. Celle-ci est transmisecomme quatrième et cinquième octet après lesoctets comportant la lecture de la pression. Tantque la transmission de données n’est pasterminée, le capteur fournit en continu des motsde 4 octets représentant successivement lesvaleurs de pression et de température.MOSIMISOOctet 1 de données Octet 2 de données Octet 3 de données1 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 P0Données utilesFigure 5: Transmission de données sur 3 octets d’une valeur de pression codée sur 15 bitsF / 11156 / C7/11www.sensortechnics.com

Communication par bus SPI avec les capteurs de pression digitauxde la série HCE de Sensortechnics4.3 Détermination de la valeur de pressionà partir de la valeur digitale lueLa formule suivante montre comment calculerla valeur physique réelle de la pression à partirde l’information numérique:Outmax− OutminS =P − P(1)maxminP − OutP +Scounts min= Pmin(2)Définitions:S = Sensibilité [comptages/mbar]Out max= Sortie à la pression maximale [comptages]Out min= Sortie à la pression minimale [comptages]P max= Valeur haute de la gamme de pression [mbar]P min= Valeur basse de la gamme de pression [mbar]P = Valeur physique de la pression lue [mbar]= Valeur digitale de la pression lue [comptages]P countsL’exemple suivant montre le calcul pour lecapteur de pression HCEM100DB... (gamme depression bidirectionnelle de 0 à ±100 mbar).Pour les calculs suivants nous avons utilisé lesvaleurs de calibration typiques, qui peuventvarier légèrement suivant la référence ducapteur. Merci de vous reporter à la fichetechnique de la famille HCE pour lescaractéristiques techniques précises.Par exemple pour une valeur digitale lue de:P counts= 20608 comptages décimalOn en déduit la valeur physique de la pressiongrâce à la formule (2), ce qui donne:P =( 20608 −1638)comptages+ ( −100mbar)131,07comptages / mbarP = 44,73mbar4.4 RésolutionChaque valeur de pression et de températuretransmise est codée sur 15 bits. Pourtant, larésolution réelle peut être inférieure, car elledépend de la configuration du convertisseurA/D interne. De plus, la résolution peut êtredégradée à cause de calculs internes et decertains traitements du signal. La résolutionstandard interne du capteur de pression HCEest fixée à 14 bits. La résolution limite de lamesure de température est égalementdépendante de la sensibilité du capteur detempérature. Pour plus d’informations veuillezcontacter Sensortechnics.Out min(-100 mbar) = 0666 hex = 1638 decOut max(+100 mbar) = 6CCC hex = 27852 decLa sensibilité du capteur se déduit de laformule (1) comme suit:27852comptages −1638 comptagesS =100mbar − ( −100mbar)S = 131,07 comptages/mbarF / 11156 / C8/11www.sensortechnics.com

Communication par bus SPI avec les capteurs de pression digitauxde la série HCE de SensortechnicsParamètreS ymboleM in.T yp.Max.Niveau d'entrée HAUT90100Niveau d'entrée BAS0 10Niveau de sortie BAS10Unité% de VSRésistancede pull-up500ΩCapacitéde chargeC ISOCapacitéd'entréeC PI_INSCK Fréquence d'horlogefCKMISO Temps de maintien après le front SCK tPI_HD_MIS OMOSITemps de setup avant le front SCK tSPI_SU_MOSITempsde setup SS avant le front SCKtPI_SU_S STempsde délai après le front SCKtSPI_HD_SSM400S10S100*40S002/fCLKS0pF6 kHz2 ns1 ns1/fCLK* recommandé (voir la note en page 10)Tableau 2: Paramètres et chronogrammes de communication sur bus SPI avec les capteurs de pression HCE4.5 ChronogrammesPour une transmission de données correcte lecapteur de pression doit détecter la fonctionSTART (ligne SS à l’état BAS) avant que lemaître n’envoie le premier coup d’horloge. C’estpourquoi, avant le premier coup d’horloge, lemaître doit respecter un délai minimum tSPI_SU_SS(voir tableaux 2 et Fig 6). Après le dernier coupd’horloge un délai minimum t SPI_HD_SSdoit êtrerespecté avant que le maître termine lacommunication (ligne SS à l’état HAUT).Les chronogrammes sont contrôles par lemaître et dépendent entre autres des conditionssuivantes.· le mode de communication du bus SPI· la vitesse du bus· le circuit électronique extérieur(p.ex. la valeur des résistances de pull-up)· les impédances et capacités des lignes dubus SPISCK(CPOL=0)MOSIMISOSStSPI_SU_SStSPI_SU_MOSItSPI_HD_MISOFigure 6: Chronogrammes bus SPItSPI_HD_SSContrairement à la théorie (Fig 3, Page 5), lescapteurs de pression HCE de Sensortechnicsactualisent leurs données très rapidementaprès avoir respecté le délai t SPI_HD_MISOsuivantun front d’horloge valide (voir Fig 6). Ceciconduit, et ce spécialement lors d’unetransmission à faible vitesse, à avoirl’impression que la transmission ne s’effectuepas sur le front montant mais descendant(CPAH=1, CPOL=0, voir paragraphe 3.3.2, Fig 4).F / 11156 / C9/11www.sensortechnics.com

Communication par bus SPI avec les capteurs de pression digitauxde la série HCE de Sensortechnics4.6 Vitesse de transmissionLa vitesse maximale de bus permise dépend dela configuration de la fréquence de l’horlogeinterne du capteur qui varie en fonction de latempérature et des conditions de fabrication.Dans le pire des cas, pour les capteurs desséries HCE, cette fréquence d’horloge enconfiguration standard est de 640 kHz. Enconfiguration spéciale, elle peut aller jusqu’à730 kHz.4.7 Perturbations électromagnétiquesLes fronts très raides des signaux transmis surle bus SPI peuvent provoquer des perturbationsélectromagnétiques. Particulièrement pour lescapteurs faibles pressions, montés sur descircuits imprimés de tailles réduites, ceci peutperturber le signal bas-niveau (mV) issu ducapteur et détériorer le signal analogique.Au cas où l’on utiliserait en même temps lessorties digitale et analogique il est recommandéd’éloigner autant que possible les deux signaux.Il est également recommandé de placer unecapacité de découplage de 220nF entrel’alimentation et la masse, et une de 15nF entrela sortie analogique et la masse. Lescondensateurs doivent se trouver le plus prèspossible des pattes du capteur.REMARQUE:Pour empêcher des perturbationsélectromagnétiques, Sensortechnicsconseille une fréquence d’horloge de100 kHz minimum (640 kHz maximum) etdes pauses de transmissions de 500 µsminimum entre deux transmissions depression. Ceci est particulièrementimportant pour toutes les versionsfaibles pressions jusqu’à 25 mbar.Pour plus d’informations veuillezcontacter Sensortechnics.5 EXEMPLE D’APPLICATIONSur chaque ligne de transmission, il estrecommandé d’utiliser une résistance de pull-upd’environ 4,7 kΩ et de plus une résistance sériede 330 Ω, comme indiqué en Fig 7.+V s4k74k74k74k7MOSI330MOSIHCEMISO330MISOSS330SSSCK330SCKFigure 7: Exemple de circuit d’application sur bus SPI pour capteurs de pression HCEF / 11156 / C10/11www.sensortechnics.com

Communication par bus SPI avec les capteurs de pression digitauxde la série HCE de Sensortechnics6 EXEMPLE DE PROGRAMME POUR LE BUS SPIbyte 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