HY16F188高精度触控厨房秤应用

　　1.内容简介
　　电子化秤重在生活中，已逐渐取代传统弹簧、天平等量测工具，例如电子计价秤、电子体重秤等。设计电子秤产品主要的组件有：传感器、ADC和MCU单芯片。本文所设计的电子秤就是利用压力传感器(Load Cell)将压力物理量转换为电压讯号，再将电压转换为数字显示出来。由于电压为模拟量，所以要用ADC将它转换为数字信号。此时也需要MCU单芯片来控制电子秤主板上的讯号处理与显示功能。
　　纮康HY16F188控制芯片内建高精密SD 24 Bit ADC、可程序放大PGA和多段式稳压输出等功能，可以很大幅简化PCB周边线路。具有高分辨率、高分辨率、低温漂的SD24 AD转换器，可以精准完成由模拟到数字的转换。虽然输出速率不是非常高，但用于像电子秤这种对于转换速率要求不高的产品，是没有问题的。
　　2.原理说明
　　Load Cell的原理是在铝制的棒上面贴上一片由桥式电阻所组成的应变仪，即惠斯顿电桥，如图2-1所示。因为电桥上的4个电阻(阻值相同)，所以当有电压施加在VIN+与VIN-两端时V+ = V-，即电桥达到了平衡。



　　此ΔR的变化量产生在讯号两端的电压变化为



　　分辨率分为外部分辨率和内部分辨率，外部分辨率为Load Cell满量程的输出电压值与需要识别的最小重量引起的电压值之比，最小重量可以定义为1g、0.5g、0.1g等。
　　内部分辨率是衡量电子秤等级的一个重要指针。一般我们以目视法认定的内部分辨率通常是指我们经软件处理后LCD显示只有1格滚动时，此时满量程的格数就是内部分辨率，其1格所代表的讯号约为2~3倍RMS Noise。
　　内外分辨率之比越小，电子秤精度越高，但内外分辨率之比是有限制的。比如Load Cell满量程压差为3mV，要做到3000 Count，内外比为1：10的电子秤，如果不经过信号放大，那最小要处理的信号为3mV/(3000X10)=0.1μV。而SD24所能处理的最小信号值大约为65nV，所以假如内外比再减小的话将产生使ADC不能识别的信号。如果使用OPAMP的话则会增加成本。所以内外分辨率之比要稳定在一定范围内。
　　芯片ADC性能能否达到规格要求，通常是以RMS Noise来推算外部是否稳定内部分辨率比值。对于开发电子秤产品而言，使用HY16F188芯片其所能达到的最大内部分辨率的瓶颈在于Input RMS Noise而不在于ADC的分辨率。 HY16F188的ADC待测信号在由PGA、AD倍率调整器的放大后(PGA=32，ADGN=4)，经OSR=32768每秒输出10笔ADC值的条件下，其Input RMS Noise约为65nV，但由于其Input Noise主要由Thermal Noise组成，所以如果我们透过平均的软件处理是可以再将Input Noise进一步降低。
　　如果我们使用8笔的软件平均处理其Input RMS Noise约为40nV，3倍RMS Noise代表约1格的滚动，即为120nV。在使用2.4V Load Cell驱动电压，1mV/V的Load Cell，满量程时压差可达2.4mV，所以在此情形下我们可以得到20000 Counts的内部分辨率。
　　2.2控制芯片
　　单片机简介：HY16F系列32位高性能Flash单片机(HY16F188)



　　(1)采用最新Andes 32位CPU核心N801处理器。
　　(2)电压操作范围2.4~3.6V，以及-40℃~85℃工作温度范围。
　　(3)支持外部20MHz石英震荡器或内部20MHz高精度RC震荡器，拥有多种CPU工作频率切换选择，可让使用者达到最佳省电规划。
　　(3.1)运行模式 350uA@2MHz/2(3.2)待机模式 10uA@32KHz/2(3.3)休眠模式 2.5uA
　　(4)程序内存64KBytes Flash ROM
　　(5)数据存储器08KBytes SRAM。
　　(6)拥有BOR and WDT功能，可防止CPU死机。
　　(7)24-bit高精准度ΣΔADC模拟数字转换器
　　(7.1)内置PGA (Programmable Gain Amplifier)最高可达128倍放大。
　　(7.2)内置温度传感器TPS。
　　(8)超低输入噪声运算放大器OPAMP。
　　(9)16-bit Timer A、16-bit Timer B模块具PWM波形产生功能、16-bit Timer C 模块具数字Capture/Compare 功能
　　(10)硬件串行通讯SPI、I2C、UART模块模块
　　(11)硬件RTC时钟功能模块
　　(12)硬件Touch KEY功能模块
　　3.系统设计
　　3.1硬件说明
　　HY16F188对于高精度厨房秤的应用，整体电路包含4个touch key部分及LCD显示模块。
　　(A)中央处理器：
　　HY16F188 (Andes 32-bit MCU Core + HYCON 24-bit ΣΔADC + UMC 64K Flash)
　　(B)显示芯片：HY2613 (HYCON LCD Driver LCD Segment 4X36)
　　(C)电源电路：5.0V转3.3V电源系统
　　(D)模拟感测模块：内部ADC
　　(E)在线刻录与ICE链接电路，透过EDM的连接，可支持在线刻录模拟。
　　并拥有强大的C平台IDE以及HYCON模拟软件分析工具与GUI等支持。



　　3.2电路说明
　　ADC 测量电路
　　ADC内部的PGA放大32倍，ADGN放大4倍，
　　参考电压由VDDA –VSS供给，则ΔVR_I=1.2V。



　　LCD DRIVER



　　MCU通过IIC与LCD driver通讯，电路简单，操作方便，只须将数据发送给LCD driver HY2613，MCU就可以处理其他事情，且更新数据方便。
　　内建硬件触控模块(使用模拟比较器方块)



　　如上图 所示，TOUCH KEY 外围电路连接简单，只需再CMP的正输入端CH1端接入一个参考电容Cref=10nf;CMP的正输入端配置为CH1，与touch key pad的CH1端连接;负输入端配置为RLC，与NON-OVERLAP 的输出端RLO连接;NON-OVERLAP的电压源选择VDD18=1.8v，且CPRLS=1短路22.5R与20R电阻，设置NON-OVERLAP分压输出为1/16R;启动TMB且计数源为CMPO。透过设置CPIS=1，令CMP的输入端短路，将CH1上的Cref电容上的电量通过RLO接到VSS，进行完全放电;启动比较器及TMB开始计数，启动NON-OVERLAP，让VDD对touch pad 充电，由于NON-OVERLAP的开关功能，touch PAD对CH1 Cref充电，使得CH1端电压慢慢上升，当CH1端电压上升到RLO电位时，比较器输出转态CMPO=0，产生CMP中断标志位，停止TMB计数并记录TMBR计数值，与设定的TOUCH KEY计数临界值比较，若小于临界值，表示有触摸Touch Pad，反则，没有触摸Touch Pad。分别对不同的touch pad扫描。
　　3.2软件说明
　　ADC设置为对输入信号ΔSI放大128倍，数据输出率为ADC-CK/32768，每秒输出10笔数据，最终取有效位数为18Bit(使用者可自行调整)。截取原始数据18Bit，进行平均滑动滤波处理。每8笔数据做一次平均值，得到的平均值再作为ADC最终转换值。平均滑动滤波实现如图所示。
　　由于小讯号放大到128倍，ADC的输出Bit只能达到18 Bit，如果使用软件平均方式可以再将ADC的分辨率提升1~2Bit并使数值更加稳定。将新的ADC值与7个ADC Buffer值相加除以8输出到ADC OUT如图，此目的是将8笔ADC做平均输出，这可以将Noise平均提高信号输出的Bit数。



　　当ADC平均输出后，将新值移到Buffer 1 ，Buffer 1移到Buffer 2…Buffer6移到Buffer 7，如下图。



　　4.2主程序流程



　　7.结果总结
　　以HY16F188为主控结合内部高精度、多通道输入、快速ADC的量测。不论厨房秤或是计价秤。都非常适合利用HY16F188来进行开发及应用。
　　8.参考文献
　　(1) HYCON HY16F188 Series Data Sheet
　　(2) HYCON HY16F188 Series User’s Guide
　　www.hycontek.com