基于单芯片方案的电子秤系统设计
随着技术的发展，生产和应用要求更加简单、精度更高、成本更低、功耗更低的解决方案，电子秤电路不断向着更高集成化的方向发展。csu1221是芯海科技公司自主研发的集成高精度adc的cmos单芯片mcu，是国内首创的一款应用于商用电子秤的soc芯片。
电子秤中模数转换电路现在主要有两种实现电路：由分立元件组成的积分电路和单个模数转换(adc)芯片。积分电路构成的系统外围电路复杂，对个别元器件要求高，存在功耗大、可靠性不高、温度性能差的缺点；而单个adc芯片构成的系统具有高精度、低功耗、高稳定性的特点，且外围电路简单有利于生产及维护。因此，现在大部分电子秤厂家偏向于使用单个adc的方案。
csu1221芯片技术特性
csu1221是一个8位cmos单芯片mcu，内置4k×16位一次性可编程(otp)rom，256b数据存储器(ram)，有17个双向i/o口，带有2通道24位全差分输入或4通道24位单端输入的σ-δadc，工作电压为2.4v～3.6v，工作电流小于3ma。
如图1所示，csu1221内部集成稳压源，可配置输出四种不同电压值，为传感器供电，通过对内部寄存器的操作来打开或关闭稳压源的输出，此电压同时作为csu1221内部adc的参考电压。csu1221内置1mhz时钟振荡器，内置一个8位定时器，cpu周期最快可达到500khz，同时内置蜂鸣器驱动。csu1221有四个中断源：1个adc中断、2个外部中断、1个定时中断。
图1：csu1221芯片功能结构图。
csu1221内置adc的输出速率可以配置为3.8～488hz，adc前端的低噪声可编程增益放大器(pga)可以配置为1、64、128、256等四种不同倍率的增益，以满足各种信号量场合。在pga为128时，adc的有效精度达到17.5位。 使用csu1221内置adc与mcu，因此mcu与adc之间的通讯都在芯片内部完成，避免外界环境对adc的影响，可靠性比基于单个adc芯片的应用系统更高，且高集成度带来明显的高性价比优势；csu1221内部集成稳压电源，方便于传感器供电。使用csu1221设计电子计价秤的功耗比当前主流的单个adc方案更低，提高电池的续航能力。 电子秤系统设计 图2是基于csu1221的电子计价秤原理框图。从图中可看出此系统主要包含电源电路、主控制芯片、模拟信号输入、存储电路、电压测量电路、按键扫描，下面将对这些电路的设计进行分析。
图2：csu1221应用于电子计价秤的原理框图。
电源系统 在csu1221中，数字电路与模拟电路是分别供电的，为了简化电源电路，两路电源仍用一片稳压电路提供，两电源之间用滤波电感隔开，以减少数字电源中因数字电路产生的杂波干扰对模拟电路的影响。 模拟信号输入 传感器输出的模拟差分信号经过两个lc滤除器滤除输入模拟信号中的高频干扰信号之后，再分别输入到csu1221的ain0、ain1引脚。传感器激励端的电压由csu1221内部ldo输出提供，带负载能力可达到15ma，有四种输出电压可选择，可以通过控制csu1221内部寄存器控制ldo开关及输出电压值(2.2v、2.5v、2.8v、3v)，方便于传感器供电控制。 存储电路 由于csu1221内部没有e2prom ，所以必须外部扩展串行接口的e2prom，如用i2c总线结构的24c02。如用pt3[3]、pt3[4]作为i2c通讯接口，pt3引脚有上拉电阻可选，所以通讯线不需要外接上拉电阻。
图3：csu1221应用于电子计价秤的电路原理图。
电压测量 在各种电池供电的装置中，都希望监视电池电压，以便能够及时对电池进行充电或更换。csu1221有五个模拟输入端，通过多路器与adc连接，利用空余的模拟输入端分时测量电池电压值唾手可得。具体接法是：用电阻网络对电池电压分压，ain3、ain4作为电压输入端接到采取电阻两端，通过测量此电阻两端电压，再根据采样电阻阻值对于电阻网络的比率值计算出电池的电压值。测量电压的时机为两个时间：一是刚开机进行一次电压测量；二是开机后的电压测量均是在重量稳定一段时间后再进行一次。每次测量都必须切换adc通道，pga = 1，ad速率使用125hz的档位，这样在测量电压时，ad值较稳定且耗时很短，测试结束之后，必须还原之前的adc设置，还原后必须丢掉3个ad值。
图4：按键阵列图。
按键扫描 假设按键扫描阵列为4×6，pt1[5]、pt1[6]、pt1[7]、pt2[0]、pt2[1] 、pt2[2]为回扫线，pt2[3]、pt26]、pt3[5]、pt3[6]为驱动线。按键阵排列如图4，在本例中，为了节省元件，未在驱动线中串联隔离元件，如果同时按下与同一回扫线(输入口)连接的两个按键，就会通过两条相关的驱动线造成两个输出端短路。此时可以使用如下方式法避免：初始化时，接通所有上拉电阻，连接按键的各i/o口均设置为输入口，当需要进行按键扫描时，只需将其需要驱动的那一个i/o口设置为输出口并输出低电平，回检读口后立刻将该i/o恢复为输入口，如此反复，即同一时刻只有一条线为输出口，就不会造成故障。 设计要点及注意事项 csu1221内部集成1mhz时钟，cpu的时钟周期可选择为：62.5k、125k、250k、500khz，选择500khz以缩短每次大循环的运行时间。 csu1221内部集成的adc，速率选择范围3.8～488hz。在测量电压时使用125hz；在测量传感器时使用15hz，每个ad值的周期约为67ms，保证在ad值更新之前，程序的大循环已经结束(根据程序大循环运行的时间不同，可以适当调整)，为了得到更稳定的重量，首先对ad值进行2次算术平均，然后再进行8次的滑动平均。在测量电压结束之后，必须丢掉3个ad值的时间为200ms，在重量稳定的情况下察觉不到跳动或反应迟钝的现象。 为了提高电子秤的线性，可增加adc内部运放的偏置电流，增加100%时为最佳。使用csu1221直接驱动无源蜂鸣器时，必须串一个100欧的电阻，避免快速按键时影响ad值的跳动。在每个大循环结束之后，可以使用halt指令使cpu处于暂停状态，直到新的中断(如ad中断)产生才恢复正常，这样可以降低功耗csu1221运行功耗。 由于模拟信号极易受到外界的电磁干扰，所以实际设计中应注意以下细节：1)在pcb布板时接口传感器输入端至ain0、ain1的距离尽可能短，滤波电容的接地端要直接接到铺地铜箔上；2)模拟信号的两引线与铁氧体均平行布线，滤波电容紧密平行排列。 由于i2c的时钟频率比较高，为了避免干扰内置的adc，需远离模拟端的i/o引脚。csu1221的模拟地agnd应与数字dgnd分开来，同时回到稳压芯片(ht7130)的地端，而ht7130的地端与电池的地端相连接。并且其它的元器件，如e2prom (ht24c02)、液晶驱动芯片(ht1621)的地端并不一定要与dgnd相连，如果这些元器件的地端与电池的地端相近，可直接将这些地连接到电池的地端。地线连接应遵循下面的原则：非csu1221模拟地的地线，不能与csu1221模拟地部分相连，以避免其它元器件产生的干扰信号流经csu1221模拟地，影响稳定性。 上电开机后对csu1221进行初始化时，建议采取如下顺序以提高软件可靠性：a.上电后，延迟30ms；b.初始化csu1221数字部分；c.延迟30ms后，初始化csu1221模拟部分；d.延迟60ms后，初始化所有ram。 本文小结 csu1221是一款内置adc的高精度、低功耗、高可靠性的单芯片mcu，外围电路非常简单，应用方便，非常适合用于高精度、小信号测量产品，如高精度电子秤、气压计、血压计，等等。该产品目前已经获得若干衡器及其它行业的批量应用。
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图1：csu1221芯片功能结构图。
csu1221内置adc的输出速率可以配置为3.8～488hz，adc前端的低噪声可编程增益放大器(pga)可以配置为1、64、128、256等四种不同倍率的增益，以满足各种信号量场合。在pga为128时，adc的有效精度达到17.5位。 使用csu1221内置adc与mcu，因此mcu与adc之间的通讯都在芯片内部完成，避免外界环境对adc的影响，可靠性比基于单个adc芯片的应用系统更高，且高集成度带来明显的高性价比优势；csu1221内部集成稳压电源，方便于传感器供电。使用csu1221设计电子计价秤的功耗比当前主流的单个adc方案更低，提高电池的续航能力。 电子秤系统设计 图2是基于csu1221的电子计价秤原理框图。从图中可看出此系统主要包含电源电路、主控制芯片、模拟信号输入、存储电路、电压测量电路、按键扫描，下面将对这些电路的设计进行分析。
图2：csu1221应用于电子计价秤的原理框图。
电源系统 在csu1221中，数字电路与模拟电路是分别供电的，为了简化电源电路，两路电源仍用一片稳压电路提供，两电源之间用滤波电感隔开，以减少数字电源中因数字电路产生的杂波干扰对模拟电路的影响。 模拟信号输入 传感器输出的模拟差分信号经过两个lc滤除器滤除输入模拟信号中的高频干扰信号之后，再分别输入到csu1221的ain0、ain1引脚。传感器激励端的电压由csu1221内部ldo输出提供，带负载能力可达到15ma，有四种输出电压可选择，可以通过控制csu1221内部寄存器控制ldo开关及输出电压值(2.2v、2.5v、2.8v、3v)，方便于传感器供电控制。 存储电路 由于csu1221内部没有e2prom ，所以必须外部扩展串行接口的e2prom，如用i2c总线结构的24c02。如用pt3[3]、pt3[4]作为i2c通讯接口，pt3引脚有上拉电阻可选，所以通讯线不需要外接上拉电阻。
图3：csu1221应用于电子计价秤的电路原理图。
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