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衡器/电子称 |
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基于CSU8RP1001芯片的太阳能衡器应用设计 |
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作者： |
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太阳能衡器符合低碳环保的理念，是衡器发展的必然方向。与传统衡器相比，目前太阳能衡器制造成本偏高，在当今衡器厂商以低价格来占领市场份额的现状，太阳能衡器还很难替代传统衡器。芯海科技在其太阳能衡器芯片CSU1101基础上推出了更具市场竞争力的CSU8RP1001，此款芯片将外围电源管理电路集成到芯片内部，同时提高了测量速度和精度，使太阳能衡器制造成本有明显的下降，使太阳能衡器替代传统衡器成为可能。
主控SOC芯片CSU8RP1001
CSU8RP1001是芯海科技最新推出的集成了24bit高速、高精度ADC的8bit RISC架构太阳能衡器专用SOC芯片。（如图一芯片内部框图），具有4K*16bit 的OTP ROM程序存储器，同时也可做用户数据保存使用。此款芯片除具有4*14 LCD驱动、内置温度传感器、看门狗、定时器等常用的配置外，还集成了一个针对微弱电流供电场合(如：太阳能电池、射频感应供电等)的智能电源管理模块，此模块是当储能电容上的电压达不到正常工作电压时，具有完全关闭芯片内部电路功能，防止内部电路在低电压下存在不定态，引起漏电现象，确保从太阳能电池获取到的微弱电量都存储到电容上，当储能电容电压达到正常工作电压时，则会自动将储能电容上的电量送到每个电路模块。另外整个太阳能衡器系统的外围元器件只需廉价的12个普通电容。
图一:CSU8RP1001内部框图
低功耗高精度实现原理
传统衡器系统中，传感器和芯片测量模块占据了90%以上的功耗，因此，采用高速脉冲供电，减少测量时间是降低衡器系统功耗的关键。芯海科技此款CSU8RP1001 SOC芯片，实现了高速高精度测量上的突破，当ADC 输出速率为7.8khz，PGA=68，Vref=2.3V时，有效位仍然达到15.5bit。此核心ADC单元高速高精度的特性，使得采用高速脉冲测量成为可能，大大降低了系统的平均功耗。
传统衡器的MCU内核和LCD驱动模块，消耗的电流虽然很小，但对于太阳能衡器微安级的供电电源来说，也是非常之大。CSU8RP1001在LCD驱动模块上采用创新的电荷交换方法获取LCD偏置电压，使此模块消耗的电流低于1uA，却能驱动较大尺寸的液晶显示器。MCU内核一般工作的频率越低则消耗的电流则越少，但芯海科技则不然，通过高速的方式来降低每MHZ的电流消耗。
基于CSU8RP1001设计的太阳能衡器，整机工作电流计算工式如下：
TDRDY AD输出的间隔时间
N 为完成一次测量所需的AD笔数
IA 是模拟部分电流
IS 是传感器消耗的电流
TD 是数字部分工作的时间
ID 是数字部分工作的电流
TS 是间隔多少时间测量一次
ILCD是LCD模块电流
IWDT 是看门狗模块电流
IStart 是智能电源管理模块电流
在各种测量模式下的消耗电流对照情况如下（表一）：(以1 kohm阻抗和灵敏度为1mV/V的传感器为例)
太阳能衡器的应用
采用芯海科技的CSU8RP1001 低功耗高速高精度优点，可以设计出太阳能人体秤和太阳能厨房秤。
（一） 硬件设计
图二：典型应用原理图
图二是太阳能衡器的典型应用原理图。采用3.5V/30uA的非晶硅太阳能电池将光能转换成电能，存储在C12普通电解电容上，然后送到CSU8RP1001内部电源管理模块。当电量达到可供系统工作时，主控芯片会通过VDDO引脚送到DVDD（数字模块）和AVDD（模似模块）供电，系统开始工作。VLCD、V2、V1、LCA、LCB是获取LCD偏置电压的外围器件。CA、CB上的电容是内部电荷泵的外围器件。VS是主控芯片内部稳压输出，除供给内部ADC作参考外，还通过C7滤波后，给压力传感器做激励电压。压力传感器的模拟变化量通过C9、C10、C11的低通滤波后，送至主控芯片的第一路差分输入通道引脚。主控芯片上的COM和SEG引脚是LCD驱动引脚。
（二）软件设计
参数配置：
以设计显示分度2000点的太阳能人体秤为例。为使整机工作功耗小于或等于15uA，将VS稳压电源输出配置成2.3V做为ADC的参考及传感器的电源，ADC的速度为7.8KHZ，PGA = 68，指令周期为2MHZ。其它I/O等资源根据实际使用情况可以进行任意配置。
软件流程：
太阳能衡器软件流程和传统衡器差异很大，主控芯片CSU8RP1001除LCD驱动模块全速工作外，其它模数模块均处于间隙工作状态。间隙工作的周期通过看门狗定时器来定时实现。如下图（流程图），读取4笔AD值，丢掉前二笔，后两笔进行算术平均，然后进行计算重量并显示，即进入睡眠，等待下一次的测量。
图三：流程图
（三）太阳能衡器整机性能
●太阳能人体秤：
测量精度：0~180kg的量程，分辨率0.1kg
工作电流：自动上秤待机工作电流小于6uA, 称重时的工作电流小于或等于 15uA
若使用3.5V /30uA的太阳能电池供电，则可以在大于光强20 Lux下使用。
●太阳能厨房秤：
测量精度：1~5000g的量程，分辨率1g
工作电流：待机工作电流小于4uA, 称重时的工作电流小于或等于 30uA
若使用3.5V /30uA的太阳能电池供电，则可以在大于光强25 Lux下使用。
（四） 应用注意事项
CSU8RP1001 应用于太阳能衡器，进入睡眠前，需关闭除显示外的所有模块，并设置好I/O口状态，以免有拉电流现象。保存校准数据时，每写完一个Word就要延时10毫秒。
本文总结：
基于CSU8RP1001开发的太阳能衡器最突出的优点是电路模块相比使用国外品牌芯片的成本低30%以上，采用此解决方案的太阳能衡器，在当前太阳能衡器厂商价格战竟争中占优势。同时外围器件少，使整机的PCB板尺寸可以很小，更容易配合整机结构。整机测量精度同传统衡器一样，而且使用的太阳能电池尺寸同比芯海科技前期推出的CSU1101小30%以上。目前芯海科技可以向客户提供包括软、硬件的完整参考设计，其中此款芯片已在部分大型衡器厂商批量生产。
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(11/1/2011) |
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