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架構太陽能衡器專用SOC芯片。（如圖一芯片內部框圖），具有4K*16bit 的OTP ROM程序存儲器，同時也可做用戶數據保存使用。此款芯片除具有4*14 LCD驅動、內置溫度傳感器、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、射頻感應供電等)的智能電源管理模塊，此模塊是當儲能電容上的電壓達不到正常工作電壓時，具有完全關閉芯片內部電路功能，防止內部電路在低電壓下存在不定態，引起漏電現象，確保從太陽能電池獲取到的微弱電量都存儲到電容上，當儲能電容電壓達到正常工作電壓時，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的外圍元器件只需廉價的12個普通電容。

 

圖一:CSU8RP1001內部框圖

 

低功耗高精度實現原理

 

傳統衡器系統中，傳感器和芯片測量模塊占據了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功耗的關鍵。芯海科技此款CSU8RP1001 SOC芯片，實現了高速高精度測量上的突破，當ADC 輸出速率為7.8khz，PGA=68，Vref=2.3V時，有效位仍然達到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，大大降低了系統的平均功耗。

 

傳統衡器的MCU內核和LCD驅動模塊，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驅動模塊上采用創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，卻能驅動較大尺寸的液晶顯示器。MCU內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設計的太陽能衡器，整機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

 

IA 是模擬部分電流

 

IS 是傳感器消耗的電流

 

TD 是數字部分工作的時間

 

ID 是數字部分工作的電流

 

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

太陽能衡器的應用

 

采用芯海科技的CSU8RP1001 低功耗高速高精度優點，可以設計出太陽能人體秤和太陽能廚房秤。

 

（一） 硬件設計

 

圖二：典型應用原理圖

 

圖二是太陽能衡器的典型應用原理圖。采用3.5V/30uA的非晶硅太陽能電池將光能轉換成電能，存儲在C12普通電解電容上，然后送到CSU8RP1001內部電源管理模塊。當電量達到可供系統工作時，主控芯片會通過VDDO引腳送到DVDD（數字模塊）和AVDD（模似模塊）供電，系統開始工作。VLCD、V2、V1、LCA、LCB是獲取LCD偏置電壓的外圍器件。CA、CB上的電容是內部電荷泵的外圍器件。VS是主控芯片內部穩壓輸出，除供給內部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驅動引腳。

 

（二）軟件設計

 

參數配置：

 

以設計顯示分度2000點的太陽能人體秤為例。為使整機工作功耗小于或等于15uA，將VS穩壓電源輸出配置成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等資源根據實際使用情況可以進行任意配置。

 

軟件流程：

 

太陽能衡器軟件流程和傳統衡器差異很大，主控芯片CSU8RP1001除LCD驅動模塊全速工作外，其它模數模塊均處于間隙工作狀態。間隙工作的周期通過看門狗定時器來定時實現。如下圖（流程圖），讀取4筆AD值，丟掉前二筆，后兩筆進行算術平均，然后進行計算重量并顯示，即進入睡眠，等待下一次的測量。

 

圖三：流程圖

 

（三）太陽能衡器整機性能

 

●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25 Lux下使用。

 

（四） 應用注意事項

 

CSU8RP1001 應用于太陽能衡器，進入睡眠前，需關閉除顯示外的所有模塊，并設置好I/O口狀態，以免有拉電流現象。保存校準數據時，每寫完一個Word就要延時10毫秒。

 

本文總結：

 

基于CSU8RP1001開發的太陽能衡器最突出的優點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，在當前太陽能衡器廠商價格戰竟爭中占優勢。同時外圍器件少，使整機的PCB板尺寸可以很小，更容易配合整機結構。整機測量精度同傳統衡器一樣，而且使用的太陽能電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戶提供包括軟、硬件的完整參考設計，其中此款芯片已在部分大型衡器廠商批量生產。