作者：廖文忠，贾颐康
全球应对气候变化正催生以低碳技术为支撑的新兴产品，促进低碳经济的发展。家用人体秤也随着技术的发展，也出现了由电池供电转变成太阳能电池板供电的发展趋势。事实上，几年前国外就有应用于太阳能人体秤的解决方案，但因为成本高等原因，并未能代替传统的人体秤。 深圳芯海科技自主研发并新推出了针对太阳能衡器的SoC芯片——CSU10xxB系列，使用该芯片设计太阳能自动上称人体秤可以有效地减少外围器件，并且这些器件容易采购、价格低廉，从而将电路成本降低到国外竞争性方案的50%左右。由于近年来太阳能电池板的规模化应用以及技术进步，其成本已经大大降低。基于CSU10xxB的太阳能人体秤整体方案已经具备了商业化量产的成本水平，目前已经成功获得芯海科技客户的量产。除了成本以外，太阳能人体秤方案更重要的是低功耗特性，本文介绍的人体秤称重时平均功耗小于18uA，完全能实现在浴室灯光照度下的人体称重需要。
创新的太阳能人体秤芯片SoC方案
大约十几年前已经有人将ADC与MCU制作在一个芯片上，但一直将ADC作为MCU的附加外围电路共配置选用，其ADC单元的性能一直不能满足系统的要求。深圳芯海科技公司凭着敏锐的市场洞察能力认识编织袋裁切机
到这个方向的发展潜力，反客为主，创新地以高增益高精度型ADC为核心，将MCU作为ADC的后续处理单元，推出了专门用于高精度数据采集的SoC器件，实现了系统的技术经济综合指标明显优于用其他器件构成同类系统。其中CSU10xxB便是针对室内太阳能板供电的SoC芯片系列，该SoC在单颗芯片上集成了MCU、ADC和LCD驱动，实现了整体方案的低功耗特性。
CSU10xxB是一个8位的RISC结构SoC芯片，内置了4K×16b的一次性可编程（OTP）ROM存储器和4MHZ的振荡器，指令周期可以达到2MHz。采用了高精度Σ-Δ ADC作为模数转换。当PGA 等于64，输出速率7.8KHz时，分辨率为18b，有效位可以达到15b。同时，内置了专供电给传感器的基准电源，其中可以通过内部寄存器选择不同的电压值（2.2V、2.5V、2.8V、3V），以满足多种传感器。
CSU10xxB可以在睡眠模式下，在此模式下内置的LCD驱动电路仍然可以通过3KHz的看门狗时钟正常工作。此功能适合间隙工作模式来达到省电效果。
图：基于CSU10xx的太阳能人体秤系统方案框图。
上图是使用CSU10xxB的典型太阳能自动上称人体秤原理框图。此系统包括电源部分、模拟信号输入、显示部分、OTP自烧录。 点焊机电极
拼图板内置采用创新技术的高性能ADC。作为面向测试应用的解决方案，SoC的模拟部分、特别是ADC的特性将决定方案的整体性能，在CSU10xxB芯片中采用了以下芯海科技创新的ADC技术：高精度ADC的噪声模拟模型非常复杂，除了量化噪声及模拟部分各种器件的热噪声、1/f噪声外，还有数字电路随时钟节拍运作时产生的衬底噪声和电源噪声，芯海科技创新性地使用了四阶随机斩波Sigma-Delta调制器，将高频部分（基带以外）的量化噪声滤除，从而得到信噪比极高的量化信号；高精度的ADC除了低噪声的模拟调制器外，高性能的DSP模块同样起着至关重要的作用，该SoC采用了先进行高速高阶滤波器再加一阶滤波输出的方式，来同时达到高的性噪比和高的响应速度；由于高精度ADC所探测的
信号非常微弱，必须要通过前置放大器对信号进行放大、提高信噪比，芯海科技采用了特有的低功耗、低噪声、低成本PGA实现方式，设计出了高性能的SoC方案，大大提高了产品的市场竞争力。
创新电源设计提高光照响应速度。主要解决在太阳能电池板光照较低的情况下，给储能电容充电的初始电流很小，往往延长了开机时间，而在CSU10xxB中储能电容上的电压输入到芯片VDTI引脚，当检测到电压大于3.1V时，则从VDTO引脚输出控制信号到CMOS开关管，使储能电容上的电通过COMS开关管和LDO（2.5V），给CSU10xxB的数字部分和模拟部分供电。当储能电容上的电压低于2.1V时，则VDTO引脚输出关闭CMOS开关管的信号，让CSU10xxB停止工作，太阳能电池板上输出的电量全部给储能电容充电。从而提高了对光照的响应速度。
模拟信号输入。桥式传感器输出的模拟信号经过低通滤波器后输入到CSU10xxB的AIN0和AIN1差分输入引脚。为降低传感器的功耗，通过内部寄存器将基准电压输出设置成2.2V。
电容泵式显示偏置电压降低能耗。CSU10xxB的显示偏置电压有两种方式取得，电阻式分压和电容泵式。电容泵式是最省电，全屏显示时，只有小于5uA的电流，特别适合太阳能供电式产品的显示。
OTP自烧录。CSU10xxB内置OTP ROM，内部没有集成EEPROM。为避免外挂EEPROM 带来成本和功耗的增加，采用OTP二次烧录的方法将标定数据存贮到空白的OTP上。通常
粉尘收集
芯片在OTP二次烧录时，另外需要接一个高电压（6V左右）到芯片，而CSU10xxB则可以通过控制内部寄存器将电荷泵输出引脚VLCD的电压升至VDD的2倍来实现。
设计要点与注意事项
CSU10xxB内置4MHz振荡器，当设计用于太阳能人体秤产品正常秤重时，为保证称重刷新速度和整机低功耗，需设置成3Hz的速度打开模拟部分进行读取传感器变化量，其它时间打开显示，MCU进入睡眠状态。这过程需采用4MHz的振荡器，并将MCU指令周期设成2MHz，以降低系统的每MHz的功耗。内置的ADC采用7.8KHz的输出速率。耳包
CSU10xxB内置的是Σ-Δ ADC，每次打开时需要建立时间，因此每次扫描打开ADC读数时，需将前面三笔数据丢掉，取第四笔和第五笔进行算术平均。并将每次扫描得出的AD数送到8级滑动平均滤波器，以提高稳定性。
由于高速状态下，系统模拟部分对寄生电容相当明感，所以实际电路需注意以下细节：1．PCB板布线时，模拟输入端的低通滤波电容尽量靠近芯片引脚，同时铜箔走线尽量短并且S+和S-引线长度尽量一样长；event2
2． AGND和DGND采用单点连接的方式，以减少数字部分和模拟部分相互干扰。
结束语
低成本和低功耗特性使得基于CSU10xxB的太阳能人体秤解决方案成功获得批量应用。随着太阳能电池板的转换效率得到提高和成本的降低，太阳能人体秤有望逐步替代电池供电的人体秤。芯海科技作为本土IC设计公司，从产品上市之初就以“IC+系统标准方案”为终端客户或方案商提供应用支持，为降低利用CSU10xxB进行产品开发的技术应用门槛，芯海科技向客户提供了完整的应用开发平台，包括提供优化的应用方案、提供成套的开发工具、提供丰富的应用软件包。
特别值得一提的是，为进一步降低本土客户新产品研发技术难度，芯海科技创造性地在IDE 仿真软件的基础上延伸出一个称为“所见既所得HEX目标码自动生成系统”的软件包。在这个软件包中，系统地归纳、组合了家用及商用衡器中常用使用、操作功能的SoC程序，使得客户的应用技术人员不需了解SoC原代码语法及原代码录入即可通过友善的人机接口界面从软件包中抽取到一个完整、专一的SoC应用软件，为SoC成功进入家用及商用衡器领域起了极大的推动作用。
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