《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于CY8C22545的觸摸按鍵電磁爐設(shè)計
摘要: Cypress的觸摸技術(shù)Capsense是基于PSoC產(chǎn)品上的一種應(yīng)用。PSoC(可編程片上系統(tǒng))包含有8位微處理器核和數(shù)字與模擬混合信號陣列的可編程片上系統(tǒng)。不僅具有MCU的可編程序能力,還包含了部分可編程邏輯運算功能,同時也提供了可編程模擬陣列,集三種可編程能力與一體。在大多數(shù)家電的觸摸應(yīng)用中,一般包括觸摸感應(yīng)處理和系統(tǒng)控制處理。PSoC可提供該類應(yīng)用中所需要的資源,并簡化了系統(tǒng)。
Abstract:
Key words :

1.引言

電容感應(yīng)方式的觸摸按鍵有很多優(yōu)點,由于不需要機械結(jié)構(gòu),相比傳統(tǒng)的機械按鍵和薄膜按鍵,觸摸式按鍵有著不可比擬的優(yōu)勢,并由此帶來了時尚美觀的外觀設(shè)計。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種消費類電子產(chǎn)品。越來越多的家電產(chǎn)品也開始采用觸摸按鍵,電磁爐是其中一個典型的應(yīng)用。

Cypress的觸摸技術(shù)Capsense是基于PSoC產(chǎn)品上的一種應(yīng)用。PSoC(可編程片上系統(tǒng))包含有8位微處理器核和數(shù)字與模擬混合信號陣列的可編程片上系統(tǒng)。不僅具有MCU的可編程序能力,還包含了部分可編程邏輯運算功能,同時也提供了可編程模擬陣列,集三種可編程能力與一體。在大多數(shù)家電的觸摸應(yīng)用中,一般包括觸摸感應(yīng)處理和系統(tǒng)控制處理。PSoC可提供該類應(yīng)用中所需要的資源,并簡化了系統(tǒng)。

2.電磁爐控制原理及結(jié)構(gòu)

電磁爐采用磁場感應(yīng)電流加熱原理。它利用交變電流通過線圈產(chǎn)生交變磁場,交變磁場在鐵質(zhì)鍋具的底部產(chǎn)生感應(yīng)電流(又稱渦流),渦流使鍋具鐵分子高速無規(guī)則運動分子互相碰撞摩擦而產(chǎn)生熱能。圖1是典型的電磁爐系統(tǒng)框圖。

電磁爐的主回路為一個LC諧振電路,諧振頻率在20-30KHz左右。諧振回路由市電經(jīng)過整流濾波后產(chǎn)生的310V直流電壓供電。主回路中的IGBT工作在低開關(guān)損耗的零電壓開關(guān)方式(ZVS),使線盤與諧振電容產(chǎn)生諧振電壓,從而實現(xiàn)電磁的轉(zhuǎn)換。為了實現(xiàn)IGBT零電壓開關(guān)的控制,電路中需要對IGBT上的電壓進行檢測,或稱作同步檢測,只有在IGBT上的電壓接近零電壓時才允許IGBT導(dǎo)通。電磁爐的功率調(diào)整是通過對IGBT功率管進行PWM占空比的調(diào)整來實現(xiàn)的,PWM占空比增大時,IGBT導(dǎo)通時間增長,為線盤提供的電流增大,相應(yīng)增大電磁爐的功率。振蕩器電路就是用于產(chǎn)生PWM信號以驅(qū)動IGBT,PWM占空比由諧振電路和主控制器提供的參考電壓等共同決定的。通常,主控制器是通過輸出PWM占空比信號,并經(jīng)過一個RC濾波器來產(chǎn)生參考電壓。電流負(fù)反饋控制是通過檢測市電輸入電流實現(xiàn)對IGBT電流的控制。電路對電流采樣信號進行處理,進而減少IGBT的導(dǎo)通時間而減少IGBT平均電流。其他電路還包括電網(wǎng)電壓檢測,IGBT及鍋面溫度檢測,浪涌保護電路等一些外圍接口電路。主控制器通過上述采樣和控制電路可進行恒功率控制,恒溫控制,過欠壓保護,過溫保護等一系列控制。

電磁爐系統(tǒng)框圖 www.elecfans.com
圖1. 電磁爐系統(tǒng)框圖

由于電磁爐控制面板和主電路通常放置在電磁爐中的不同位置,為了設(shè)計和維修的方便性,大多數(shù)的設(shè)計都采用兩個PCB板的方式 – 功率板和用戶接口面板。根據(jù)主控MCU放置的位置,大多可以分成以下三種結(jié)構(gòu)。

1)主控MCU放置在功率板上,用戶接口面板為簡單的按鍵和LED顯示。系統(tǒng)中只有一個MCU,成本較低,兩個PCB板之間通過較多的線束進行連接。

2)主控MCU放置在功率板上,用戶接口面板用另外一個MCU進行控制。兩個PCB板之間通過較少的線束連接。通常用于較高端的設(shè)計中,面板可以進行較復(fù)雜的操作。

3)主控MCU放置在用戶接口面板上,功率板由幾個運放及一些離散器件構(gòu)成。PCB之間的線束適中,系統(tǒng)成本較低,面板也可進行較復(fù)雜的操作。多數(shù)設(shè)計采用這種方式。

3.觸摸按鍵電磁爐控制器

由于消費者在選擇電磁爐時更多注意力是集中在爐具的外觀上,觸摸按鍵類的產(chǎn)品因此也越來越多的引入到電磁爐的設(shè)計中。在初期的設(shè)計中,多數(shù)采用分立器件設(shè)計觸摸按鍵。雖然成本較低,但分立器件調(diào)試非常困難,不適于批量生產(chǎn),因此多數(shù)新的設(shè)計采用專用觸摸按鍵控制器。觸摸按鍵專用芯片的引入增加了系統(tǒng)的成本和設(shè)計的復(fù)雜度,并改變了原有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。PSoC可集成觸摸控制及主控功能為一體,可很好的將原有的非觸摸式電磁爐設(shè)計升級到觸摸式電磁爐。

3.1 CY8C22545介紹

CY8C22x45系列產(chǎn)品是Cypress針對觸摸應(yīng)用及系統(tǒng)控制而專門設(shè)計的PSoC器件。圖2是CY8C22x45的系統(tǒng)框圖,它與普通的PSoC產(chǎn)品有相同的架構(gòu),包括有8個數(shù)字模塊和6個簡化型的模擬模塊。這些模塊可根據(jù)客戶具體需要配置成為不同的外設(shè),例如PWM發(fā)生器,定時器,ADC,比較器等。CY8C22x45為用戶提供了最多可到38個通用I/O, 16Kbyte閃存及1Kbyte的SRAM以及其它一些片上資源,例如10bit SAR ADC,電壓參考源(VDAC),I2C通信模塊, 硬件實時時鐘(RTC)。該系列器件專門為觸摸設(shè)計提供了相應(yīng)的片上資源,并優(yōu)化了內(nèi)部掃描電路。在不占用片上其他數(shù)字資源的情況下,可以實現(xiàn)雙通道的信號同時掃描,從而縮短所有按鍵總的掃描時間。

CY8C22x45可支持Cypress公司的CSA 和CSD 的Capsense算法,并可支持各種不同的觸摸設(shè)計,例如按鍵,線型滑條,圓形滑條,ITO觸摸屏等等。通過Cypress提供的圖形化設(shè)計軟件,用戶可以方便的將觸摸檢測和系統(tǒng)控制功

能完美的集成在同一個PSoC控制器上來完成。

CY8C22x45系統(tǒng)框圖 www.elecfans.com

圖2. CY8C22x45系統(tǒng)框圖



3.2 觸摸按鍵設(shè)計

CY8C22545片上包含有優(yōu)化的觸摸控制邏輯,圖3是該器件用于一個通道的CSD觸摸感應(yīng)控制的內(nèi)部硬件框圖。與以往的Cypress觸摸產(chǎn)品比較,CY8C22545產(chǎn)品有以下一些特點:

1)CY8C22545采用左右兩條模擬總線的結(jié)構(gòu),所有的IO口都可通過模擬開關(guān)分別接到左右兩邊的模擬總線上。所有的IO口都可作為觸摸傳感器的輸入端。另外,CY8C22545內(nèi)部設(shè)計了兩套掃描控制邏輯,可支持兩個觸摸傳感器同時進行掃描的操作,這樣可以減少總的按鍵掃描時間。在微波爐等多按鍵(或滑條)的設(shè)計中,這種方式有著獨到的優(yōu)勢。

2)該器件內(nèi)部有兩個電流源(IDAC),每個電流源有256級調(diào)節(jié)范圍,可輸出0"640uA電流,基本可替代各種Capsense精度配置時所采用的外部放電電阻,因此只需要一個外接的充放電電容即可完成感應(yīng)電容的檢測。另外,采用內(nèi)部IDAC替代外部放電電阻這種方法在做Capsense參數(shù)調(diào)整時非常方便,無需更換外部電阻即可實現(xiàn)參數(shù)的優(yōu)化配置。當(dāng)然,客戶仍然可以選擇使用外部電阻作為Capsense的放電電阻。

3)掃描時鐘源,計數(shù)器和定時器都用專用的資源來支持,不占用任何數(shù)字模塊資源,因此可以有更多的數(shù)字資源用于系統(tǒng)控制。

4)另外,由于電路上的優(yōu)化,每個按鍵掃描完成后才產(chǎn)生一次中斷,因此大大的減少CPU干預(yù)時間,使得CPU有更多時間處理其它任務(wù)。

CSD觸摸感應(yīng)控制邏輯框圖 www.elecfans.com

圖3. CSD觸摸感應(yīng)控制邏輯框圖

3.3 系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計采用目前市面上比較流行的電磁爐結(jié)構(gòu),即功率板由一片LM339及一些分立器件構(gòu)成,而用戶接口板由MCU及LED等分立器件構(gòu)成。功率板實現(xiàn)了包括同步檢測,電流負(fù)反饋控制,振蕩電路,浪涌保護等控制,本文就不再詳述。用戶接口板實現(xiàn)了觸摸感應(yīng)控制,LED數(shù)碼管和LED燈掃描驅(qū)動,用戶菜單管理,IGBT及鍋具溫度檢測,過溫保護,供電電源過欠壓保護,電磁爐恒功率控制,恒溫控制,風(fēng)扇、蜂鳴器等外設(shè)控制以及其他一些系統(tǒng)主控功能。圖4是用戶接口板的硬件框圖。

用戶接口控制板框圖 www.elecfans.com

圖4. 用戶接口控制板框圖

CY8C22545采用44 pin 的TQFP封裝,最多有38個I/O,可支持到37個觸摸傳感器的輸入,因此可滿足大多數(shù)復(fù)雜的用戶接口板設(shè)計。如果IO數(shù)量不能滿足需求,用戶可以通過SPI接口與外部一片74LS164完成IO口的擴展用于LED等外圍器件的驅(qū)動。

在本設(shè)計中,CY8C22545對外部12個觸摸感應(yīng)按鍵進行檢測,SAR10 ADC對各個溫度傳感器及AC電源的電壓和電流進行采樣,并使用了三個數(shù)字模塊分別配置成三個8bit精度的PWM發(fā)生器,用于驅(qū)動蜂鳴器,控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以及產(chǎn)生功率控制用的PWM參考信號。另外,用一個數(shù)字模塊配置為8bit的定時器,用于固件的時基。如果需要IO擴展,則可用一個數(shù)字模塊配置為SPI接口以驅(qū)動外部串并轉(zhuǎn)換邏輯。

恒功率控制和恒溫控制是電磁爐主要的兩種工作模式。在本系統(tǒng)中分別采用了兩個PID閉環(huán)控制算法實現(xiàn)恒功率控制和恒溫控制。由于這兩種系統(tǒng)具有不同的時間參數(shù),需要分別調(diào)整設(shè)定系統(tǒng)PID參數(shù)。

無鍋檢測是電磁爐中一個重要的技術(shù),它包含放置檢測和移開檢測。放置檢測采用脈沖方式。在電磁爐正常工作之前,CY8C22545使主諧振電路打開一個很小的時間,通過計算諧振過零點個數(shù)檢測諧振電路的振蕩次數(shù)。當(dāng)沒有鍋具時,主諧振電路處于欠阻尼狀態(tài),諧振過零點檢測端有較多的脈沖產(chǎn)生。有鍋具時,主諧振電路處于阻尼狀態(tài),此時諧振過零點檢測端產(chǎn)生的脈沖較少。CY8C22545能夠通過檢測脈沖的數(shù)量決定是否有鍋具存在。移開檢測采用了電流檢測的方法。當(dāng)電磁爐正常工作時,工作電流會穩(wěn)定在一個正常范圍內(nèi)。如果移開鍋具,系統(tǒng)的電流會急劇下降到一個較小的范圍。CY8C22545可以通過檢測電流的急劇下降,判定鍋具移開。另外,在CY8C22545輸出一個固定占空比PWM的條件下,系統(tǒng)的工作電流會維持在一個特定的范圍。CY8C22545也可以通過檢測當(dāng)前電流是否符合當(dāng)前PWM的占空比來判斷鍋具是否移開。

4.結(jié)語

采用PSoC CY8C22545的觸摸按鍵電磁爐設(shè)計,利用其模擬、數(shù)字和觸摸感應(yīng)專用邏輯使整個系統(tǒng)只用了一個PSoC芯片便實現(xiàn)了觸摸按鍵電磁爐的控制功能。結(jié)構(gòu)非常簡潔明了,不需要太多的外圍元件。在觸摸感應(yīng)的參數(shù)調(diào)整上非常靈活方便,為客戶的設(shè)計和生產(chǎn)節(jié)省許多調(diào)試時間。

 

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