基于單芯片方案的電子秤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)和應(yīng)用要求更加簡單、精度更高、成本更低、功耗更低的解決方案，電子秤電路不斷向著更高集成化的方向發(fā)展。CSU1221是芯?？萍脊咀灾餮邪l(fā)的集成高精度ADC的CMOS單芯片MCU，是國內(nèi)首創(chuàng)的一款應(yīng)用于商用電子秤的SoC芯片。

電子秤中模數(shù)轉(zhuǎn)換電路現(xiàn)在主要有兩種實(shí)現(xiàn)電路：由分立元件組成的積分電路和單個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)芯片。積分電路構(gòu)成的系統(tǒng)外圍電路復(fù)雜，對個(gè)別元器件要求高，存在功耗大、可靠性不高、溫度性能差的缺點(diǎn)；而單個(gè)ADC芯片構(gòu)成的系統(tǒng)具有高精度、低功耗、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，且外圍電路簡單有利于生產(chǎn)及維護(hù)。因此，現(xiàn)在大部分電子秤廠家偏向于使用單個(gè)ADC的方案。

CSU1221芯片技術(shù)特性

CSU1221是一個(gè)8位CMOS單芯片MCU，內(nèi)置4K×16位一次性可編程(OTP)ROM，256B數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，有17個(gè)雙向I/O口，帶有2通道24位全差分輸入或4通道24位單端輸入的Σ-ΔADC，工作電壓為2.4V～3.6V，工作電流小于3mA。

如圖1所示，CSU1221內(nèi)部集成穩(wěn)壓源，可配置輸出四種不同電壓值，為傳感器供電，通過對內(nèi)部寄存器的操作來打開或關(guān)閉穩(wěn)壓源的輸出，此電壓同時(shí)作為CSU1221內(nèi)部ADC的參考電壓。CSU1221內(nèi)置1MHz時(shí)鐘振蕩器，內(nèi)置一個(gè)8位定時(shí)器，CPU周期最快可達(dá)到500KHz，同時(shí)內(nèi)置蜂鳴器驅(qū)動。CSU1221有四個(gè)中斷源：1個(gè)ADC中斷、2個(gè)外部中斷、1個(gè)定時(shí)中斷。

圖1：CSU1221芯片功能結(jié)構(gòu)圖。

CSU1221內(nèi)置ADC的輸出速率可以配置為3.8～488Hz，ADC前端的低噪聲可編程增益放大器(PGA)可以配置為1、64、128、256等四種不同倍率的增益，以滿足各種信號量場合。在PGA為128時(shí)，ADC的有效精度達(dá)到17.5位。

使用CSU1221內(nèi)置ADC與MCU，因此MCU與ADC之間的通訊都在芯片內(nèi)部完成，避免外界環(huán)境對ADC的影響，可靠性比基于單個(gè)ADC芯片的應(yīng)用系統(tǒng)更高，且高集成度帶來明顯的高性價(jià)比優(yōu)勢；CSU1221內(nèi)部集成穩(wěn)壓電源，方便于傳感器供電。使用CSU1221設(shè)計(jì)電子計(jì)價(jià)秤的功耗比當(dāng)前主流的單個(gè)ADC方案更低，提高電池的續(xù)航能力。

電子秤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2是基于CSU1221的電子計(jì)價(jià)秤原理框圖。從圖中可看出此系統(tǒng)主要包含電源電路、主控制芯片、模擬信號輸入、存儲電路、電壓測量電路、按鍵掃描，下面將對這些電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

圖2：CSU1221應(yīng)用于電子計(jì)價(jià)秤的原理框圖。

電源系統(tǒng) 在CSU1221中，數(shù)字電路與模擬電路是分別供電的，為了簡化電源電路，兩路電源仍用一片穩(wěn)壓電路提供，兩電源之間用濾波電感隔開，以減少數(shù)字電源中因數(shù)字電路產(chǎn)生的雜波干擾對模擬電路的影響。

模擬信號輸入 傳感器輸出的模擬差分信號經(jīng)過兩個(gè)LC濾除器濾除輸入模擬信號中的高頻干擾信號之后，再分別輸入到CSU1221的AIN0、AIN1引腳。傳感器激勵(lì)端的電壓由CSU1221內(nèi)部LDO輸出提供，帶負(fù)載能力可達(dá)到15mA，有四種輸出電壓可選擇，可以通過控制CSU1221內(nèi)部寄存器控制LDO開關(guān)及輸出電壓值(2.2V、2.5V、2.8V、3V)，方便于傳感器供電控制。

存儲電路 由于CSU1221內(nèi)部沒有E₂PROM ，所以必須外部擴(kuò)展串行接口的E₂PROM，如用I²C總線結(jié)構(gòu)的24C02。如用PT3[3]、PT3[4]作為I²C通訊接口，PT3引腳有上拉電阻可選，所以通訊線不需要外接上拉電阻。

圖3：CSU1221應(yīng)用于電子計(jì)價(jià)秤的電路原理圖。