基于高分度、低成本、低能耗的衡器SoC方案分析與應(yīng)用

　隨著電子衡器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，市場對低功耗和高精度提出了越來越高的要求。深圳市芯?？萍甲鳛閲鴥?nèi)領(lǐng)先的模擬、數(shù)模混合集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)，在電子衡器芯片和電能計(jì)量芯片領(lǐng)域具有國內(nèi)領(lǐng)先的水平，芯?？萍纪瞥龅母呔?4位ADC芯片更是填補(bǔ)了國內(nèi)中高端電子衡器芯片領(lǐng)域的空白，并針對低功耗、高精度這一趨勢推出了CSU11XX衡器SoC芯片。CSU11XX芯片最大的優(yōu)勢是同時(shí)滿足了自動(dòng)上秤人體秤、太陽能人體秤對低功耗的要求，以及口袋秤對高精度的要求。利用CSU11XX設(shè)計(jì)的自動(dòng)上秤人體秤，平均待機(jī)功耗可以低至3uA以下，太陽能人體秤稱重電流在20uA以下，口袋秤分度可以達(dá)到三萬分之一。

　　衡器SoC芯片CSU11XX及應(yīng)用

　　CSU11XX集成了8位RISC MCU，4K×16 OTP(可作為用戶數(shù)據(jù)PROM)、256 RAM、4×18 LCD，以及16個(gè)I/O口(除這16個(gè)I/O口外，所有的“Seg”口均可復(fù)用為輸出，使得IO總數(shù)最多達(dá)到26個(gè))，雙通道高速、高精度ADC，最高數(shù)據(jù)輸出速率為16kHz(精度為12位，增益為32)，最高精度達(dá)到18位(增益為128，速率為32Hz)。為了能夠在一個(gè)芯片上同時(shí)滿足低功耗和高精度的要求，CSU11XX提供了“功耗-精度-速度”相互平衡的選項(xiàng)，即用戶可以通過配置較低的ADC工作電流來實(shí)現(xiàn)低功耗，但這種情況下線性度較差，只能夠用于5000點(diǎn)以下的秤，也可以配置較大的工作電流來實(shí)現(xiàn)30,000分度的精度和線性度，為工程師進(jìn)行多種類型的方案開發(fā)提供便利，只需要在配置上稍作改動(dòng)，就可以滿足不同的市場需求。

　　圖：CSU11XX內(nèi)部功能框圖。

　　以下針對三種不同的應(yīng)用提供設(shè)計(jì)思路：

　　全球最低功耗自動(dòng)上秤人體秤方案。自動(dòng)上秤人體秤的平均功耗取決于兩個(gè)因素：靜態(tài)功耗及動(dòng)態(tài)功耗。其中靜態(tài)功耗由芯片的漏電流、看門狗模塊電流組成，CSU11XX的漏電流為0.5uA，看門狗模塊電流為0.7uA，總靜態(tài)電流為1.2uA。動(dòng)態(tài)電流主要由ADC與傳感器工作電流構(gòu)成，決定性的因素包括ADC+傳感器的功耗以及供電的時(shí)間窗口長度。對于人體秤這種對精度要求不高的應(yīng)用，我們可以選擇最低的ADC偏置電流，把ADC+傳感器的總功耗降低到2.5mA。時(shí)間窗口控制上，使用8K的輸出速率，采用第三個(gè)AD值，總時(shí)間為375uS。得到AD值之后，直接與預(yù)先計(jì)算出來的上秤判決AD閾值比較，超過則起秤，否則繼續(xù)休眠。所以總功耗為1.2uA+375uS×2.5mA/1S=1.2uA+0.94uA=2.14uA。實(shí)測值會(huì)介于2uA至4uA之間(由于工藝漏電流的離散性)。

　　全球最低成本的太陽能人體秤方案。太陽能人體秤的出現(xiàn)，主要是為了避免普通電池對環(huán)境的危害，達(dá)到環(huán)保的目的。但是，目前市面上的太陽能人體秤需要昂貴的傳感器和PS08主芯片。造價(jià)成本極大的限制了太陽能人體秤的市場占有率。CSU11XX提供了專門為太陽能人體秤而設(shè)計(jì)的特性。設(shè)計(jì)時(shí)使用1KHZ的AD輸出速率，使用第四筆AD，每秒鐘稱重一次，則所需的動(dòng)態(tài)功耗為4次×2.5mA×(1/1000秒)=10uA，LCD顯示所需的功耗為5uA(驅(qū)動(dòng)電路工作電流)+5uA(玻璃消耗)=20uA。

　　三萬分度的手掌秤方案。在手掌秤應(yīng)用場合，最重要的是精度和線性度。為達(dá)到這個(gè)目的，我們需要把ADC的工作電流配置為人體秤場合的4倍。并把ADC的輸出速率降低到7.6HZ，PGA=256，在這種模式下，ADC的穩(wěn)定性非常高。在程序中，將AD值進(jìn)行4次算術(shù)平均，再進(jìn)行8次滑動(dòng)平均(需要使用滑動(dòng)緩存快速刷新機(jī)制來保證反映速度)，即可得到穩(wěn)定的三萬分度手掌秤。

　　本文小結(jié)

　　以上三個(gè)方案可以涵蓋大部分的家用秤市場，對于廚房秤、脂肪秤只需要稍作修改即可。同時(shí)，為了方便客戶進(jìn)行開發(fā)，芯?？萍歼€為每一種方案都提供了參考設(shè)計(jì)，可以提供全套的電路圖及源代碼，為客戶產(chǎn)品開發(fā)提供了極大的便利。(作者：劉小靈 深圳市芯?？萍加邢薰?