基于CSU8RP1001的太阳能衡器应用设计

CSU8RP1001是芯海科技最新推出的集成了24位高速、高精度ADC的8位 RISC架构太阳能衡器专用SoC(系统芯片)。芯片结构如图1所示，具有4k×16位的OTP(一些可编程)ROM程序存储器，同时也可做用户数据保存使用。此款芯片除具有4×14 LCD驱动、内置温度传感器、看门狗、定时器等常用配置外，还集成了一个针对微弱电流供电场合(如：太阳能电池、射频感应供电等)的智能电源管理模块，此模块是当储能电容上的电压达不到正常工作电压时，具有完全关闭芯片内部电路功能，防止内部电路在低电压下存在不稳定状态，引起漏电现象，确保从太阳能电池获取到的微弱电量都存储到电容上，当储能电容电压达到正常工作电压时，则会自动将储能电容上的电量送到每个电路模块。另外整个太阳能衡器系统的外围元器件只需廉价的12个普通电容。

　　低功耗高精度实现原理

传统衡器系统中，传感器和芯片测量模块占据了90%以上的功耗，因此，采用高速脉冲供电，减少测量时间是降低衡器系统功耗的关键。芯海的CSU8RP1001芯片实现了高速高精度测量上的突破，当ADC 输出速率为7.8kHz，PGA(可编程增益放大器)=68，Vref=2.3V时，有效位仍然达到15.5位。此核心ADC单元高速高精度的特性，使得采用高速脉冲测量成为可能，大大降低了系统的平均功耗。

传统衡器的MCU内核和LCD驱动模块消耗的电流虽然很小，但对于太阳能衡器微安级的供电电源来说，也是非常之大。CSU8RP1001在LCD驱动模块上采用创新的电荷交换方法获取LCD偏置电压，使此模块消耗的电流低于1µA，却能驱动较大尺寸的液晶显示器。MCU内核一般工作的频率越低则消耗的电流越少，但芯海科技则不然，通过高速的方式来降低每MHz的电流消耗。

基于CSU8RP1001设计的太阳能衡器，整机工作电流计算工式如下：

T_DRDY：AD输出的间隔时间;

N：完成一次测量所需的AD笔数;

IA：模拟部分电流;

IS：传感器消耗的电流;

TD：数字部分的工作时间;

ID：数字部分的工作电流;

TS：间隔多少时间测量一次;

ILCD：LCD模块电流;

IWDT：看门狗模块电流;

IStart：智能电源管理模块电流。

在各种测量模式下的消耗电流对照情况如表1(以1kΩ阻抗和灵敏度为1mV/V的传感器为例)。

　　太阳能衡器的应用

采用芯海科技的CSU8RP1001 低功耗高速高精度优点，可以设计出太阳能人体秤和太阳能厨房秤。

(一)硬件设计

图2是太阳能衡器的典型应用原理图。采用3.5V/30µA的非晶硅太阳能电池将光能转换成电能，存储在C12普通电解电容上，然后送到CSU8RP1001内部电源管理模块。当电量达到可供系统工作时，主控芯片会通过VDDO引脚送到DVDD(数字模块)和AVDD(模似模块)供电，系统开始工作。VLCD、V2、V1、LCA、LCB是获取LCD偏置电压的外围器件。CA、CB上的电容是内部电荷泵的外围器件。VS是主控芯片内部稳压输出，除供给内部ADC作参考外，还通过C7滤波后，给压力传感器做激励电压。压力传感器的模拟变化量通过C9、C10、C11的低通滤波后，送至主控芯片的第一路差分输入通道引脚。主控芯片上的COM和SEG引脚是LCD驱动引脚。

(二)软件设计

参数配置：

以设计显示分度2000点的太阳能人体秤为例。为使整机工作功耗小于或等于15µA，将VS稳压电源输出配置成2.3V作为ADC的参考及传感器的电源，ADC的速度为7.8kHz，PGA = 68，指令周期为2MHz。其它I/O等资源根据实际使用情况可以进行任意配置。

软件流程:

太阳能衡器软件流程和传统衡器差异很大，主控芯片CSU8RP1001除LCD驱动模块全速工作外，其它模数模块均处于间隙工作状态。间隙工作的周期通过看门狗定时器来定时实现。流程图如图3，读取4笔A/D值，丢掉前二笔，后两笔进行算术平均，然后进行计算重量并显示，即进入睡眠，等待下一次的测量。

(三)太阳能衡器整机性能

太阳能人体秤的性能参数如下。

● 测量精度：0~180kg的量程，分辨率0.1kg。

● 工作电流：自动上秤待机工作电流小于6µA, 称重时的工作电流≤15µA。

● 若使用3.5V /30µA的太阳能电池供电，则可以在大于光强20 Lux下使用。

太阳能厨房秤：

● 测量精度：1~5000g的量程，分辨率：1g。

● 工作电流：待机工作电流小于4µA，称重时的工作电流≤30µA。

● 若使用3.5V /30µA的太阳能电池供电，则可以在大于光强25 Lux下使用。

(四) 应用注意事项

CSU8RP1001 应用于太阳能衡器，进入睡眠前，需关闭除显示外的所有模块，并设置好I/O口状态，以免有拉电流现象。保存校准数据时，每写完一个Word(字)就要延时10ms。

　　小结

基于CSU8RP1001开发的太阳能衡器的突出优点是：电路模块比使用国外品牌芯片的成本低30%以上;同时外围器件少，使整机的PCB(印制电路板)尺寸可以很小;整机测量精度同传统衡器一样，而且使用的太阳能电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户提供包括软、硬件的完整参考设计，其中此款芯片已在部分大型衡器厂商批量生产。

参考文献：

[1] CSU8RP10XX用户手册.深圳市芯海科技有限公司