基于CSU8RP1001芯片的太陽能衡器應(yīng)用設(shè)計(jì)
摘要： 太陽能衡器符合低碳環(huán)保的理念，是衡器發(fā)展的必然方向。與傳統(tǒng)衡器相比，目前太陽能衡器制造成本偏高，在當(dāng)今衡器廠商以低價(jià)格來占領(lǐng)市場份額的現(xiàn)狀，太陽能衡器還很難替代傳統(tǒng)衡器。芯?？萍荚谄涮柲芎馄餍酒珻SU1101基礎(chǔ)上推出了更具市場競爭力的CSU8RP1001，此款芯片將外圍電源管理電路集成到芯片內(nèi)部，同時(shí)提高了測量速度和精度，使太陽能衡器制造成本有明顯的下降，使太陽能衡器替代傳統(tǒng)衡器成為可能。
關(guān)鍵詞：
SOC
CSU8RP1001
Abstract：
Key words :
太陽能衡器符合低碳環(huán)保的理念，是衡器發(fā)展的必然方向。與傳統(tǒng)衡器相比，目前太陽能衡器制造成本偏高，在當(dāng)今衡器廠商以低價(jià)格來占領(lǐng)市場份額的現(xiàn)狀，太陽能衡器還很難替代傳統(tǒng)衡器。芯?？萍荚谄涮柲芎馄餍酒珻SU1101基礎(chǔ)上推出了更具市場競爭力的CSU8RP1001，此款芯片將外圍電源管理電路集成到芯片內(nèi)部，同時(shí)提高了測量速度和精度，使太陽能衡器制造成本有明顯的下降，使太陽能衡器替代傳統(tǒng)衡器成為可能。
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架構(gòu)太陽能衡器專用SOC芯片。（如圖一芯片內(nèi)部框圖），具有4K*16bit 的OTP ROM程序存儲器，同時(shí)也可做用戶數(shù)據(jù)保存使用。此款芯片除具有4*14 LCD驅(qū)動、內(nèi)置溫度傳感器、看門狗、定時(shí)器等常用的配置外，還集成了一個(gè)針對微弱電流供電場合(如：太陽能電池、射頻感應(yīng)供電等)的智能電源管理模塊，此模塊是當(dāng)儲能電容上的電壓達(dá)不到正常工作電壓時(shí)，具有完全關(guān)閉芯片內(nèi)部電路功能，防止內(nèi)部電路在低電壓下存在不定態(tài)，引起漏電現(xiàn)象，確保從太陽能電池獲取到的微弱電量都存儲到電容上，當(dāng)儲能電容電壓達(dá)到正常工作電壓時(shí)，則會自動將儲能電容上的電量送到每個(gè)電路模塊。另外整個(gè)太陽能衡器系統(tǒng)的外圍元器件只需廉價(jià)的12個(gè)普通電容。
圖一:CSU8RP1001內(nèi)部框圖
低功耗高精度實(shí)現(xiàn)原理
傳統(tǒng)衡器系統(tǒng)中，傳感器和芯片測量模塊占據(jù)了90%以上的功耗，因此，采用高速脈沖供電，減少測量時(shí)間是降低衡器系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵。芯?？萍即丝頒SU8RP1001 SOC芯片，實(shí)現(xiàn)了高速高精度測量上的突破，當(dāng)ADC 輸出速率為7.8khz，PGA=68，Vref=2.3V時(shí)，有效位仍然達(dá)到15.5bit。此核心ADC單元高速高精度的特性，使得采用高速脈沖測量成為可能，大大降低了系統(tǒng)的平均功耗。
傳統(tǒng)衡器的MCU內(nèi)核和LCD驅(qū)動模塊，消耗的電流雖然很小，但對于太陽能衡器微安級的供電電源來說，也是非常之大。CSU8RP1001在LCD驅(qū)動模塊上采用創(chuàng)新的電荷交換方法獲取LCD偏置電壓，使此模塊消耗的電流低于1uA，卻能驅(qū)動較大尺寸的液晶顯示器。MCU內(nèi)核一般工作的頻率越低則消耗的電流則越少，但芯?？萍紕t不然，通過高速的方式來降低每MHZ的電流消耗。
基于CSU8RP1001設(shè)計(jì)的太陽能衡器，整機(jī)工作電流計(jì)算工式如下：
TDRDY AD輸出的間隔時(shí)間
N 為完成一次測量所需的AD筆數(shù)
IA 是模擬部分電流
IS 是傳感器消耗的電流
TD 是數(shù)字部分工作的時(shí)間
ID 是數(shù)字部分工作的電流
TS 是間隔多少時(shí)間測量一次
ILCD是LCD模塊電流
IWDT 是看門狗模塊電流
IStart 是智能電源管理模塊電流
在各種測量模式下的消耗電流對照情況如下（表一）：(以1 kohm阻抗和靈敏度為1mV/V的傳感器為例)
表一
太陽能衡器的應(yīng)用
采用芯海科技的CSU8RP1001 低功耗高速高精度優(yōu)點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)出太陽能人體秤和太陽能廚房秤。
（一） 硬件設(shè)計(jì)
圖二：典型應(yīng)用原理圖
圖二是太陽能衡器的典型應(yīng)用原理圖。采用3.5V/30uA的非晶硅太陽能電池將光能轉(zhuǎn)換成電能，存儲在C12普通電解電容上，然后送到CSU8RP1001內(nèi)部電源管理模塊。當(dāng)電量達(dá)到可供系統(tǒng)工作時(shí)，主控芯片會通過VDDO引腳送到DVDD（數(shù)字模塊）和AVDD（模似模塊）供電，系統(tǒng)開始工作。VLCD、V2、V1、LCA、LCB是獲取LCD偏置電壓的外圍器件。CA、CB上的電容是內(nèi)部電荷泵的外圍器件。VS是主控芯片內(nèi)部穩(wěn)壓輸出，除供給內(nèi)部ADC作參考外，還通過C7濾波后，給壓力傳感器做激勵電壓。壓力傳感器的模擬變化量通過C9、C10、C11的低通濾波后，送至主控芯片的第一路差分輸入通道引腳。主控芯片上的COM和SEG引腳是LCD驅(qū)動引腳。
（二）軟件設(shè)計(jì)
參數(shù)配置：
以設(shè)計(jì)顯示分度2000點(diǎn)的太陽能人體秤為例。為使整機(jī)工作功耗小于或等于15uA，將VS穩(wěn)壓電源輸出配置成2.3V做為ADC的參考及傳感器的電源，ADC的速度為7.8KHZ，PGA = 68，指令周期為2MHZ。其它I/O等資源根據(jù)實(shí)際使用情況可以進(jìn)行任意配置。
軟件流程：
太陽能衡器軟件流程和傳統(tǒng)衡器差異很大，主控芯片CSU8RP1001除LCD驅(qū)動模塊全速工作外，其它模數(shù)模塊均處于間隙工作狀態(tài)。間隙工作的周期通過看門狗定時(shí)器來定時(shí)實(shí)現(xiàn)。如下圖（流程圖），讀取4筆AD值，丟掉前二筆，后兩筆進(jìn)行算術(shù)平均，然后進(jìn)行計(jì)算重量并顯示，即進(jìn)入睡眠，等待下一次的測量。
圖三：流程圖
（三）太陽能衡器整機(jī)性能
●太陽能人體秤：
測量精度：0~180kg的量程，分辨率0.1kg
工作電流：自動上秤待機(jī)工作電流小于6uA, 稱重時(shí)的工作電流小于或等于 15uA
若使用3.5V /30uA的太陽能電池供電，則可以在大于光強(qiáng)20 Lux下使用。
●太陽能廚房秤：
測量精度：1~5000g的量程，分辨率1g
工作電流：待機(jī)工作電流小于4uA, 稱重時(shí)的工作電流小于或等于 30uA
若使用3.5V /30uA的太陽能電池供電，則可以在大于光強(qiáng)25 Lux下使用。
（四） 應(yīng)用注意事項(xiàng)
CSU8RP1001 應(yīng)用于太陽能衡器，進(jìn)入睡眠前，需關(guān)閉除顯示外的所有模塊，并設(shè)置好I/O口狀態(tài)，以免有拉電流現(xiàn)象。保存校準(zhǔn)數(shù)據(jù)時(shí)，每寫完一個(gè)Word就要延時(shí)10毫秒。
本文總結(jié)：
基于CSU8RP1001開發(fā)的太陽能衡器最突出的優(yōu)點(diǎn)是電路模塊相比使用國外品牌芯片的成本低30%以上，采用此解決方案的太陽能衡器，在當(dāng)前太陽能衡器廠商價(jià)格戰(zhàn)竟?fàn)幹姓純?yōu)勢。同時(shí)外圍器件少，使整機(jī)的PCB板尺寸可以很小，更容易配合整機(jī)結(jié)構(gòu)。整機(jī)測量精度同傳統(tǒng)衡器一樣，而且使用的太陽能電池尺寸同比芯?？萍记捌谕瞥龅腃SU1101小30%以上。目前芯?？萍伎梢韵蚩蛻籼峁┌ㄜ?、硬件的完整參考設(shè)計(jì)，其中此款芯片已在部分大型衡器廠商批量生產(chǎn)。
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