基于高分度、低成本、低能耗的衡器SoC方案分析与应用

　随着电子衡器产业的发展，市场对低功耗和高精度提出了越来越高的要求。深圳市芯海科技作为国内领先的模拟、数模混合集成电路设计企业，在电子衡器芯片和电能计量芯片领域具有国内领先的水平，芯海科技推出的高精度24位ADC芯片更是填补了国内中高端电子衡器芯片领域的空白，并针对低功耗、高精度这一趋势推出了CSU11XX衡器SoC芯片。CSU11XX芯片最大的优势是同时满足了自动上秤人体秤、太阳能人体秤对低功耗的要求，以及口袋秤对高精度的要求。利用CSU11XX设计的自动上秤人体秤，平均待机功耗可以低至3uA以下，太阳能人体秤称重电流在20uA以下，口袋秤分度可以达到三万分之一。

　　衡器SoC芯片CSU11XX及应用

　　CSU11XX集成了8位RISC MCU，4K×16 OTP(可作为用户数据PROM)、256 RAM、4×18 LCD，以及16个I/O口(除这16个I/O口外，所有的“Seg”口均可复用为输出，使得IO总数最多达到26个)，双通道高速、高精度ADC，最高数据输出速率为16kHz(精度为12位，增益为32)，最高精度达到18位(增益为128，速率为32Hz)。为了能够在一个芯片上同时满足低功耗和高精度的要求，CSU11XX提供了“功耗-精度-速度”相互平衡的选项，即用户可以通过配置较低的ADC工作电流来实现低功耗，但这种情况下线性度较差，只能够用于5000点以下的秤，也可以配置较大的工作电流来实现30,000分度的精度和线性度，为工程师进行多种类型的方案开发提供便利，只需要在配置上稍作改动，就可以满足不同的市场需求。

　　图：CSU11XX内部功能框图。

　　以下针对三种不同的应用提供设计思路：

　　全球最低功耗自动上秤人体秤方案。自动上秤人体秤的平均功耗取决于两个因素：静态功耗及动态功耗。其中静态功耗由芯片的漏电流、看门狗模块电流组成，CSU11XX的漏电流为0.5uA，看门狗模块电流为0.7uA，总静态电流为1.2uA。动态电流主要由ADC与传感器工作电流构成，决定性的因素包括ADC+传感器的功耗以及供电的时间窗口长度。对于人体秤这种对精度要求不高的应用，我们可以选择最低的ADC偏置电流，把ADC+传感器的总功耗降低到2.5mA。时间窗口控制上，使用8K的输出速率，采用第三个AD值，总时间为375uS。得到AD值之后，直接与预先计算出来的上秤判决AD阈值比较，超过则起秤，否则继续休眠。所以总功耗为1.2uA+375uS×2.5mA/1S=1.2uA+0.94uA=2.14uA。实测值会介于2uA至4uA之间(由于工艺漏电流的离散性)。

　　全球最低成本的太阳能人体秤方案。太阳能人体秤的出现，主要是为了避免普通电池对环境的危害，达到环保的目的。但是，目前市面上的太阳能人体秤需要昂贵的传感器和PS08主芯片。造价成本极大的限制了太阳能人体秤的市场占有率。CSU11XX提供了专门为太阳能人体秤而设计的特性。设计时使用1KHZ的AD输出速率，使用第四笔AD，每秒钟称重一次，则所需的动态功耗为4次×2.5mA×(1/1000秒)=10uA，LCD显示所需的功耗为5uA(驱动电路工作电流)+5uA(玻璃消耗)=20uA。

　　三万分度的手掌秤方案。在手掌秤应用场合，最重要的是精度和线性度。为达到这个目的，我们需要把ADC的工作电流配置为人体秤场合的4倍。并把ADC的输出速率降低到7.6HZ，PGA=256，在这种模式下，ADC的稳定性非常高。在程序中，将AD值进行4次算术平均，再进行8次滑动平均(需要使用滑动缓存快速刷新机制来保证反映速度)，即可得到稳定的三万分度手掌秤。

　　本文小结

　　以上三个方案可以涵盖大部分的家用秤市场，对于厨房秤、脂肪秤只需要稍作修改即可。同时，为了方便客户进行开发，芯海科技还为每一种方案都提供了参考设计，可以提供全套的电路图及源代码，为客户产品开发提供了极大的便利。(作者：刘小灵 深圳市芯海科技有限公司)