基于单芯片的电子秤系统方案设计

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