以高整合度混合信號單片機實現電子計價秤應用

　　1. 內容簡介

　　電子化秤重在生活中，已逐漸取代傳統彈簧、天平等量測工具，例如電子計價秤、電子體重秤等。設計電子秤產品主要的組件有：傳感器、ADC和MCU單芯片。本文所設計的電子秤就是利用壓力傳感器(Load Cell)將壓力物理量轉換為電壓訊號，再將電壓轉換為數字顯示出來。由于電壓為模擬量，所以要用ADC將它轉換為數字信號。此時也需要MCU單芯片來控制電子秤主機板上的訊號處理與顯示功能。

　　纮康HY16F188控制芯片內建高精密ΣΔ 24 Bit ADC、可程序放大PGA和多段式穩壓輸出等功能，可以很大幅簡化PCB周邊線路。具有高分辨率、高分辨率、低溫漂的ΣΔ24 AD轉換器，可以精準完成由模擬到數字的轉換。雖然輸出速率不是非常高，但用于像電子秤這種對于轉換速率要求不高的產品，是沒有問題的。

　　2. 原理說明

　　2.1 感測組件

　　Load Cell的原理是在鋁制的棒上面貼上一片由橋式電阻所組成的應變儀，即惠斯頓電橋，如圖2-1所示。因為電橋上的4個電阻(阻值相同)，所以當有電壓施加在VIN+與VIN-兩端時V+ = V-，即電橋達到了平衡。

　　分辨率分為外部分辨率和內部分辨率，外部分辨率為Load Cell滿量程的輸出電壓值與需要識別的最小重量引起的電壓值之比，最小重量可以定義為1g、0.5g、0.1g等。

　　內部分辨率是衡量電子秤等級的一個重要指針。一般我們以目視法認定的內部分辨率通常是指我們經軟件處理后LCD顯示只有1格滾動時，此時滿量程的格數就是內部分辨率，其1格所代表的訊號約為2~3倍RMS Noise。

　　內外分辨率之比越小，電子秤精度越高，但內外分辨率之比是有限制的。比如Load Cell滿量程壓差為3mV，要做到3000 Count，內外比為1：10的電子秤，如果不經過信號放大，那最小要處理的信號為3mV/(3000X10)=0.1µV。而ΣΔ24所能處理的最小信號值大約為65nV，所以假如內外比再減小的話將產生使ADC不能識別的信號。如果使用OPAMP的話則會增加成本。所以內外分辨率之比要穩定在一定范圍內。

　　芯片ADC性能能否達到規格要求，通常是以RMS Noise來推算外部是否穩定內部分辨率比值。對于開發電子秤產品而言，使用HY16F188芯片其所能達到的最大內部分辨率的瓶頸在于Input RMS Noise而不在于ADC的分辨率。 HY16F188的ADC待測信號在由PGA、AD倍率調整器的放大后(PGA=32，ADGN=4)，經OSR=32768每秒輸出10筆ADC值的條件下，其Input RMS Noise約為65nV，但由于其Input Noise主要由Thermal Noise組成，所以如果我們透過平均的軟件處理是可以再將Input Noise進一步降低。

　　如果我們使用8筆的軟件平均處理其Input RMS Noise約為40nV，3倍RMS Noise代表約1格的滾動，即為120nV。在使用2.4V Load Cell驅動電壓，1mV/V的Load Cell，滿量程時壓差可達2.4mV，所以在此情形下我們可以得到20000 Counts的內部分辨率。

　　2.2 控制芯片

　　單片機簡介：HY16F系列32位高性能Flash單片機(HY16F188)

　　纮康HY16F系列32位高性能Flash單片機(HY16F188)

　　(01)采用最新Andes 32位CPU核心N801處理器。

　　(02)電壓操作范圍2.4~3.6V，以及-40℃~85℃工作溫度范圍。

　　(03)支持外部20MHz石英震蕩器或內部20MHz高精度RC震蕩器。

　　擁有多種CPU工作頻率切換選擇，可讓使用者達到最佳省電規劃。

　　(3.1)運行模式 350uA@2MHz/2

　　(3.2)待機模式 10uA@32KHz/2

　　(3.3)休眠模式 2.5uA

　　(04)程序內存64KBytes Flash ROM。

　　(05)數據存儲器8KBytes SRAM。

　　(06)擁有BOR and WDT功能，可防止CPU死機。

　　(07)24-bit高精準度ΣΔADC模擬數字轉換器

　　(7.1)內置PGA (Programmable Gain Amplifier)最高可達128倍放大。

　　(7.2)內置溫度傳感器。

　　(08)超低輸入噪聲Rail to Rail運算放大器OPAMP。

　　(09)多功能CMP模擬比較器，并可支持4組硬件Touch Key功能模塊。

　　(10)16-bit Timer A模塊。

　　(11)16-bit Timer B模塊具PWM波形產生功能。

　　(12)16-bit Timer C模塊具Capture/Compare 功能。

　　(13)硬件SPI/I2C/UART串行通訊模塊。

　　(14)硬件RTC時鐘功能模塊。

　　3. 系統設計

　　3.1硬件說明

　　Load Cell輸出的模擬信號傳輸至HY16F188，MCU通過本身的ADC轉換，采集AD信號值，經過運算處理得出對應的重量值，顯示到LCD上，可以通過4X4矩陣的按鍵輸入進行相關的設定操作，可進入Sleep模式減低功耗。

　　整體應用PCB主板如上圖所示。

　　(A)中央處理器：

　　HY16F188 (Andes 32-bit MCU Core + HYCON 24-bit ΣΔADC + UMC 64K Flash)

　　功能為量測電信號、控制、運算包含功能為儲存校正參數。

　　(B)顯示芯片：HY2613 (HYCON LCD Driver LCD Segment 4X36)

　　負責LCD驅動。

　　(C)電源電路：9V轉3.3V電源系統。

　　(D)模擬感測模塊：壓力傳感器(Load Cell)。

　　(E)在線燒錄與ICE連結電路，透過EDM的連接，可支持在線燒錄模擬。

　　并擁有強大的C平臺IDE以及HYCON模擬軟件分析工具與GUI等支持。