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衡器/电子称 |
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基于单芯片方案的电子秤系统设计 |
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作者：深圳市芯海科技有限公司 陈明鑫 |
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电子秤中模数转换电路现在主要有两种实现电路：由分立元件组成的积分电路和单个模数转换(ADC)芯片。积分电路构成的系统外围电路复杂，对个别元器件要求高，存在功耗大、可靠性不高、温度性能差的缺点；而单个ADC芯片构成的系统具有高精度、低功耗、高稳定性的特点，且外围电路简单有利于生产及维护。因此，现在大部分电子秤厂家偏向于使用单个ADC的方案。
随着技术的发展，生产和应用要求更加简单、精度更高、成本更低、功耗更低的解决方案，电子秤电路不断向着更高集成化的方向发展。CSU1221是芯海科技公司自主研发的集成高精度ADC的CMOS单芯片MCU，是国内首创的一款应用于商用电子秤的SoC芯片。
CSU1221芯片技术特性
CSU1221是一个8位CMOS单芯片MCU，内置4K×16位一次性可编程(OTP)ROM，256B数据存储器(RAM)，有17个双向I/O口，带有2通道24位全差分输入或4通道24位单端输入的Σ-ΔADC，工作电压为2.4V～3.6V，工作电流小于3mA。
如图1所示，CSU1221内部集成稳压源，可配置输出四种不同电压值，为传感器供电，通过对内部寄存器的操作来打开或关闭稳压源的输出，此电压同时作为CSU1221内部ADC的参考电压。CSU1221内置1MHz时钟振荡器，内置一个8位定时器，CPU周期最快可达到500KHz，同时内置蜂鸣器驱动。CSU1221有四个中断源：1个ADC中断、2个外部中断、1个定时中断。
图1：CSU1221芯片功能结构图
CSU1221内置ADC的输出速率可以配置为3.8～488Hz，ADC前端的低噪声可编程增益放大器(PGA)可以配置为1、64、128、256等四种不同倍率的增益，以满足各种信号量场合。在PGA为128时，ADC的有效精度达到17.5位。
使用CSU1221内置ADC与MCU，因此MCU与ADC之间的通讯都在芯片内部完成，避免外界环境对ADC的影响，可靠性比基于单个ADC芯片的应用系统更高，且高集成度带来明显的高性价比优势；CSU1221内部集成稳压电源，方便于传感器供电。使用CSU1221设计电子计价秤的功耗比当前主流的单个ADC方案更低，提高电池的续航能力。
电子秤系统设计
图2是基于CSU1221的电子计价秤原理框图。从图中可看出此系统主要包含电源电路、主控制芯片、模拟信号输入、存储电路、电压测量电路、按键扫描，下面将对这些电路的设计进行分析。
电源系统 在CSU1221中，数字电路与模拟电路是分别供电的，为了简化电源电路，两路电源仍用一片稳压电路提供，两电源之间用滤波电感隔开，以减少数字电源中因数字电路产生的杂波干扰对模拟电路的影响。
模拟信号输入 传感器输出的模拟差分信号经过两个LC滤除器滤除输入模拟信号中的高频干扰信号之后，再分别输入到CSU1221的AIN0、AIN1引脚。传感器激励端的电压由CSU1221内部LDO输出提供，带负载能力可达到15mA，有四种输出电压可选择，可以通过控制CSU1221内部寄存器控制LDO开关及输出电压值(2.2V、2.5V、2.8V、3V)，方便于传感器供电控制。
存储电路 由于CSU1221内部没有E2PROM ，所以必须外部扩展串行接口的E2PROM，如用I2C总线结构的24C02。如用PT3[3]、PT3[4]作为I2C通讯接口，PT3引脚有上拉电阻可选，所以通讯线不需要外接上拉电阻。
电压测量 在各种电池供电的装置中，都希望监视电池电压，以便能够及时对电池进行充电或更换。CSU1221有五个模拟输入端，通过多路器与ADC连接，利用空余的模拟输入端分时测量电池电压值唾手可得。具体接法是：用电阻网络对电池电压分压，AIN3、AIN4作为电压输入端接到采取电阻两端，通过测量此电阻两端电压，再根据采样电阻阻值对于电阻网络的比率值计算出电池的电压值。测量电压的时机为两个时间：一是刚开机进行一次电压测量；二是开机后的电压测量均是在重量稳定一段时间后再进行一次。每次测量都必须切换ADC通道，PGA = 1，AD速率使用125Hz的档位，这样在测量电压时，AD值较稳定且耗时很短，测试结束之后，必须还原之前的ADC设置，还原后必须丢掉3个AD值。
按键扫描 假设按键扫描阵列为4×6，PT1[5]、PT1[6]、PT1[7]、PT2[0]、PT2[1] 、PT2[2]为回扫线，PT2[3]、PT26]、PT3[5]、PT3[6]为驱动线。按键阵排列如图4，在本例中，为了节省元件，未在驱动线中串联隔离元件，如果同时按下与同一回扫线(输入口)连接的两个按键，就会通过两条相关的驱动线造成两个输出端短路。此时可以使用如下方式法避免：初始化时，接通所有上拉电阻，连接按键的各I/O口均设置为输入口，当需要进行按键扫描时，只需将其需要驱动的那一个I/O口设置为输出口并输出低电平，回检读口后立刻将该I/O恢复为输入口，如此反复，即同一时刻只有一条线为输出口，就不会造成故障。
设计要点及注意事项
CSU1221内部集成1MHz时钟，CPU的时钟周期可选择为：62.5K、125K、250K、500KHZ，选择500KHz以缩短每次大循环的运行时间。
CSU1221内部集成的ADC，速率选择范围3.8～488Hz。在测量电压时使用125Hz；在测量传感器时使用15HZ，每个AD值的周期约为67ms，保证在AD值更新之前，程序的大循环已经结束(根据程序大循环运行的时间不同，可以适当调整)，为了得到更稳定的重量，首先对AD值进行2次算术平均，然后再进行8次的滑动平均。在测量电压结束之后，必须丢掉3个AD值的时间为200ms，在重量稳定的情况下察觉不到跳动或反应迟钝的现象。
为了提高电子秤的线性，可增加ADC内部运放的偏置电流，增加100%时为最佳。使用CSU1221直接驱动无源蜂鸣器时，必须串一个100欧的电阻，避免快速按键时影响AD值的跳动。在每个大循环结束之后，可以使用HALT指令使CPU处于暂停状态，直到新的中断(如AD中断)产生才恢复正常，这样可以降低功耗CSU1221运行功耗。
由于模拟信号极易受到外界的电磁干扰，所以实际设计中应注意以下细节：1)在PCB布板时接口传感器输入端至AIN0、AIN1的距离尽可能短，滤波电容的接地端要直接接到铺地铜箔上；2)模拟信号的两引线与铁氧体均平行布线，滤波电容紧密平行排列。
由于I2C的时钟频率比较高，为了避免干扰内置的ADC，需远离模拟端的I/O引脚。CSU1221的模拟地AGND应与数字DGND分开来，同时回到稳压芯片(HT7130)的地端，而HT7130的地端与电池的地端相连接。并且其它的元器件，如E2PROM (HT24C02)、液晶驱动芯片(HT1621)的地端并不一定要与DGND相连，如果这些元器件的地端与电池的地端相近，可直接将这些地连接到电池的地端。地线连接应遵循下面的原则：非CSU1221模拟地的地线，不能与CSU1221模拟地部分相连，以避免其它元器件产生的干扰信号流经CSU1221模拟地，影响稳定性。
上电开机后对CSU1221进行初始化时，建议采取如下顺序以提高软件可靠性：a.上电后，延迟30ms；b.初始化CSU1221数字部分；c.延迟30ms后，初始化CSU1221模拟部分；d.延迟60ms后，初始化所有RAM。
本文小结
CSU1221是一款内置ADC的高精度、低功耗、高可靠性的单芯片MCU，外围电路非常简单，应用方便，非常适合用于高精度、小信号测量产品，如高精度电子秤、气压计、血压计，等等。该产品目前已经获得若干衡器及其它行业的批量应用。(end)
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(3/25/2010) |
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