片上系統(tǒng)芯片PS081在太陽能衡器的應(yīng)用

劉長龍，蘇燕辰

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引 言

片上系統(tǒng)芯片PS081是德國acam公司專門為衡器應(yīng)用設(shè)計(jì)的數(shù)字測量芯片，與傳統(tǒng)的電子衡器相比有著許多競爭優(yōu)勢，高精度、低功耗，創(chuàng)新的產(chǎn)品理念、環(huán)保產(chǎn)品內(nèi)涵和具有市場競爭力的價(jià)格優(yōu)勢[1]，因此PS081在太陽能衡器上的解決方案成為國內(nèi)衡器廠商的最優(yōu)選擇，為該產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品轉(zhuǎn)型帶來了一個(gè)很好的契機(jī)。

1 PS081高精度測量原理

如圖1所示，PS081應(yīng)變測量原理是通過測量放電時(shí)間來間接體現(xiàn)的。放電時(shí)間是測量應(yīng)變電阻通過一個(gè)放電電容Cload放電來獲得，正向變化和反向變化的應(yīng)變電阻的放電時(shí)間都會(huì)被進(jìn)行測量，因此兩個(gè)放電時(shí)間的比值則會(huì)反映應(yīng)變電阻的變化信息。時(shí)間測量是通過高精度內(nèi)部時(shí)間單元完成，通過對(duì)電容充放電時(shí)間的測量得到電阻值，并且可以達(dá)到15 ps的測量準(zhǔn)確度，通過平均甚至可以達(dá)到0.5ps的測量準(zhǔn)確度。

PS081芯片是為稱重衡器所專門設(shè)計(jì)的超低功耗SOC（system on chip）片上系統(tǒng)方案。這個(gè)芯片內(nèi)部集成了24位的微處理器并且發(fā)揚(yáng)了PICOSTRAIN測量原理的優(yōu)勢。因此整個(gè)系統(tǒng)包括傳感器本身的電流消耗，可以被減少到一個(gè)非常低的水平。PS081作為電池驅(qū)動(dòng)衡器和太陽能驅(qū)動(dòng)衡器的理想選擇，這個(gè)芯片的精度可以允許通過電池供電系統(tǒng)建立高精度OIML校準(zhǔn)衡器；當(dāng)然同樣也適用于基于金屬應(yīng)變測量的扭矩測量以及其他力學(xué)測量應(yīng)用。圖2所示為4個(gè)金屬應(yīng)變傳感器組成的PICOSTRAIN半橋連接測量方式。另外該芯片還集成了LCD驅(qū)動(dòng)，可直接驅(qū)動(dòng)4*14，3*15段LCD，并帶有包含有強(qiáng)大的函數(shù)指令的3K ROM和2K可擦寫存儲(chǔ)EEPROM，4線串行SPI接口，內(nèi)部還帶有10 kHz晶振為系統(tǒng)芯片提供時(shí)鐘源[2]。

圖1 PS081測量原理

圖2 PS081半橋連接方式

2 PS081在太陽能衡器硬件部分

圖3 上電電路

如圖3所示，在完全黑暗的狀態(tài)下，所有的電容將會(huì)被放電，而U5為高阻抗?fàn)顟B(tài)，U4的輸入電壓為零，這個(gè)時(shí)候PS081是沒有電壓供電的。如果將燈打開，那么太陽能電池板的電流將會(huì)給C17充電，然后電壓檢測部分供電。（R7，R14，Q1，U3）當(dāng)在 C17 的電壓超過3.5V的時(shí)候，U3將會(huì)開啟，這時(shí)U5將會(huì)脫離高阻狀態(tài)而升到C17的電壓水平。U4的供電電壓為3.5V，那么將會(huì)整壓到2.5V輸出供給PS081，然后PS081將會(huì)開始工作。由于在VCC_R后面的所有電容都需要通過C17充電到電源電壓，那么由于C17要提供必須的電路，VCC_R的電壓將會(huì)下降。太陽能電池板對(duì)于如此高的電流脈沖是比較弱的。C17的電壓必須要保持大于2.55V的狀態(tài)，否則U4將不能夠調(diào)節(jié)出2.5V的電壓給PS081。

圖4 PS081外圍電路

通過這個(gè)電路在光線較差的情況下也可以獲得一個(gè)快速安全的啟動(dòng)效果。本設(shè)計(jì)采用Sinonar公司的太陽能電池板，由8條無定形硅板組成，太陽能電池板必須要在最小光線條件下3μA的時(shí)候給出大于3.6V的電壓，否則將不能夠啟動(dòng)電路[5]。

圖4中P1連接LCD-AD5287，外部晶振選用QC5TCT-G，部分管腳引出便于系統(tǒng)擴(kuò)展。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

太陽能人體秤的應(yīng)用軟件具有基于帶有自動(dòng)零點(diǎn)跟蹤的自動(dòng)開啟功能。在睡眠關(guān)閉的模式下，秤會(huì)對(duì)傳感器以低精度進(jìn)行持續(xù)的掃描。另外，傳感器的補(bǔ)償也會(huì)以正常精度進(jìn)行測量。如果在掃描模式中，重量被檢測到，那么秤將會(huì)切換到正常測量模式。

在關(guān)閉休眠狀態(tài)下，掃描零點(diǎn)補(bǔ)償來糾正檢測到重量時(shí)秤重的重量值，如果電壓值正常，在上電部分被配置為最小電流，那么需要等待大概1min。之后，測量配置將會(huì)載入，初始的補(bǔ)償值將會(huì)被測量，然后在掃描模式下初始的補(bǔ)償值被記錄。接下來，如圖5所示，系統(tǒng)進(jìn)入掃描模式，每過5min進(jìn)行一次補(bǔ)償值獲取。如果在秤重后一段時(shí)間沒有重量即空載，則將會(huì)自動(dòng)進(jìn)入掃描模式。如圖6所示，在系統(tǒng)獲得測量補(bǔ)償值初始化后，進(jìn)入測量模式[5]。本程序是在PS081Assemble軟件環(huán)境下編寫的[3]。當(dāng)有重量的時(shí)候秤會(huì)自動(dòng)開啟，還有中值濾波、零點(diǎn)補(bǔ)償、LCD顯示數(shù)字、自動(dòng)開啟、自動(dòng)關(guān)閉等程序功能。

4 結(jié)束語

PS081作為德國acam公司的最新一代單芯片方案，因其獨(dú)特的測量原理可以實(shí)現(xiàn)超低的電流消耗，應(yīng)用該芯片可以建立非常強(qiáng)大的太陽能電池板驅(qū)動(dòng)電子秤，當(dāng)然同樣也適用基于金屬應(yīng)變測量的扭矩測量以及其他力學(xué)測量應(yīng)用。此芯片能夠很好的發(fā)揮PICOSTRAIN測量原理的優(yōu)勢，并為數(shù)字傳感器的發(fā)展掀開了新的篇章。本設(shè)計(jì)的軟件部分實(shí)現(xiàn)了太陽能秤的部分功能還有待進(jìn)一步完善。

圖5 掃描模式流程圖

[1]陳剛.數(shù)字測量芯片PS081在太陽能衡器和高精度數(shù)字傳感器中的應(yīng)用[J].應(yīng)用分析，2010（10）：53-60.

[2]Acam-messelectronic，Inc.PS081 Single-chip Solution for Weight Scales[Z].2010.

[3]Acam-messelectronic，Inc.PS08 Assembler Software Help[Z].2007.

[4]孔明.基于PS08的無線傳輸?shù)奶柲芎馄飨到y(tǒng)[J].稱重知識(shí)，2011（2）：40-43.

[5]Acam-messelectronic，Inc.通過PS081進(jìn)行太陽能廚房秤建立的指導(dǎo)[Z].2010：5-22.