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,、定時器等常用的配置外，還集成了一個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,，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,，則會自動將儲能電容上的電量送到每個電路模塊,。另外整個太陽能衡器系統(tǒng)的外圍元器件只需廉價的12個普通電容。

 

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,，減少測量時間是降低衡器系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵,。芯海科技此款CSU8RP1001 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,，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,，但芯海科技則不然,，通過高速的方式來降低每MHZ的電流消耗。

 

基于CSU8RP1001設(shè)計的太陽能衡器,，整機(jī)工作電流計算工式如下：

 

TDRDY AD輸出的間隔時間

 

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)字部分工作的時間

 

ID 是數(shù)字部分工作的電流

 

TS 是間隔多少時間測量一次

 

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?？萍嫉腃SU8RP1001 低功耗高速高精度優(yōu)點(diǎn)，可以設(shè)計出太陽能人體秤和太陽能廚房秤,。

 

（一） 硬件設(shè)計

 

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,，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

 

參數(shù)配置：

 

以設(shè)計顯示分度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器來定時實(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,，每寫完一個Word就要延時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格戰(zhàn)竟?fàn)幹姓純?yōu)勢,。同時外圍器件少，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,。目前芯海科技可以向客戶提供包括軟,、硬件的完整參考設(shè)計,，其中此款芯片已在部分大型衡器廠商批量生產(chǎn)。