深圳芯海科技有限公司凭借强大研发和技术创新能力推出了一系列高性能 SoC 衡器计量芯片后，今年六月又成功推出了低成本高性能 SoC 衡器计量芯片 CSU8RP1185。该芯片可应用于人体秤、厨房秤、耳温枪、胎压计等健康电子产品的开发。本文将重点介绍基于 CSU8RP1185 实现人体秤压力开机的软硬件设计方法和建议。
1 前言
过去人体秤采用振动开机或者按键开机模式，使用时需轻触秤体，待秤开机归零之后方可称重。长期以来，实现人体秤压力开机是衡器系统工程师们研究的重点课题之一，更是广大消费者期待的功能。随着半导体技术的发展，高速、高精度ADC转换的成功开发使人体秤实现压力开机不再是难题。
压力开机是采用高速 AD间隙扫描传感器识别重量变化的原理，当识别重量变化达到 5kg 时人体秤则自动开机显示重量。采用压力开机原理的人体秤，直接站到秤体上即可称重，无需等待，较以往的开机模式更灵敏、便捷。压力开机人体秤作为一种更人性、更灵活的开机模式深受广大顾客的青睐，势必引领人体秤市场发展趋势。
深圳芯海科技有限公司 (以下简称“芯海科技”) 凭借强大研发和技术创新能力推出了一系列高性能 SoC 衡器计量芯片后，今年六月又成功推出 了 低 成 本 高 性 能 SoC 衡 器 计 量 芯 片CSU8RP1185。该芯片可应用于人体秤、厨房秤、耳温枪、胎压计等健康电子产品的开发。本文将重点介绍基于 CSU8RP1185 实现人体秤压力开机的软硬件设计方法和建议。
2成本之外的 CSU8RP1185 特性
当前，面临人民币升值，原材料价格、工人工资大幅上涨的现状，企业经营压力较 2008 年金融危机时期更明显加重。为了适应市场趋势，IC设计工程师必须尽最大可能地集成每一个外围器件并且压缩硅片尺寸，开发出高性能低成本的芯片满足厂商的低成本产品设计需求。CSU8RP1185最大程度地集成了外围器件，设计人体秤方案时外围只需 6 个贴片电容，比传统方案减少了一半的电子元器件。低成本的 SoC 衡器计量芯片CSU8RP1185 成功上市为衡器厂商提供了低成本的解决方案。CSU8RP1185 内置 128B 数据存储区，可以存储约20组校准数据，系统设计时无需外挂传统解决方案所要求的 24C02 存储器。
当前衡器产品成本的敏感性不言而喻，但成本绝非全部，电池供电产品的低功耗特性、温度补偿、可靠性都是必须关注的性能特性，下面分别给予分析。
2.1 低功耗延长电池使用寿命
人体秤采用一颗3V CR232 钮扣电池供电，为延长电池使用寿命，系统设计人员对低功耗有着无限的奢求。CSU8RP1185 芯片自身工作电流在1mA 以下，整机比传统方案低 1mA 以上。人体秤大部分时间处于待机状态，待机功耗直接决定了产品的电池使用寿命。系统工作电流在 2.3mA 以下 (整机以 1k 阻抗和灵敏度为 1mV/V 的传感器测试)，电池的使用寿命。CSU8RP1185 内置 500KHz采样率的高速 AD，最高 ADC 输出率可达 7.8KHz。在 ADC 输出率为 7.8KHz 的速度下，AD 有效精度依然可达 12 位，可以实现对传感器的高速扫描。在待机模式下，采用 WTD 定时 (1s 的周期) 扫描传感器，唤醒后配置成高速 AD，将前 3 笔 AD 值丢弃，采集第 4 笔和 5 笔做算术平均获取到的高速 AD 值。整个时间只需 0.8ms，其他时间都处于Sleep 状态，Sleep 状态功耗小于 2uA，由此，待机平均电流如下：
Iavg=2.3mA×0.8ms/1s+2uA=1.84+2=3.84uA≈4uA
2.2 内置温度传感器实现温度补偿
市面上，部分厂家使用的人体秤传感器未进行温度补偿，传感器温度特性常常无法达到要求，系统受温度影响较为明显。CSU8RP1185 内置一路温度传感器，可检测环境温度变化，恰当地实现人体秤系统温度补偿。
2.3 全工作电压范围 OTP 自烧录
CSU8RP1185实现 2.4V 至 3.6V 全工作电压自烧录，在 VPP 引脚上接一个 105 的电容，芯片通过内部升压机制将电源电压升高至 7.5V 输出到VPP引脚上，VPP 引脚电容将电荷蓄积为 OTP 烧录提供稳定的 7.5V 烧录电压。这一创新大大提高了烧录可靠性，避免烧录电压偏低或偏高带来的一系列隐患。在行业内，大部分 IC 只能实现固定电源电压烧录校准数据。CSU8RP1185 实现全工作电压自烧录后，无需外接固定电压，直接采用电池供电，仍可正确烧录校准数据，大大提高了生产效率。
2.4抗干扰、EMI、ESD特性
日常生活中，手机来电常常导致附近的音响发出吱吱声，这就是高频信号干扰了音响的模拟器件。同样，人体秤内置模数转换器件也容易受高频信号的干扰。目前，出口欧美等地的产品需通过严格的EMI 测试。芯海科技基于 CSU8RP1185开发的人体秤样品送至第三方机构进行高频检测，测试结果显示，该样机在80MHz至 2.7GHz的高频信号干扰下均能正常工作，未出现死机、误开机、重量不准确等异常情况。
生活中静电无处不在，电子设备深受其害。静电会造成芯片的硬击穿或者软击穿，导致整个系统崩溃。因此电子产品的抗 ESD 水平也是评价一个产品的关键指标。CSU8RP1185 设计了特别的静电保护电路，整机测试能够通过 14KV 接触式放电和 20KV非接触式放电。
3 基于 CS U8RP 1185 的系统设计
基于CSU8RP1185 实现的人体秤系统电路非常简单，使系统电路 PCB 非常整洁有序，而且降低整机 BOM成本。系统电图原理图如图 1 所示。采用 3V 电压供电;OTP 自烧录方式存储校磅数据，省去 24CO2 存储器;4×12 点的液晶显示。图中 C2 电容起储能作用，其将内部升压泵升压后的电压稳定到一个电压点为 LCD 显示屏供电。C3电容的作用是在自烧录模式下将电荷蓄积为 OTP烧录提供稳定的 7.5V烧录电压。
CSU8RP1185 低速 AD 输出频率有 30Hz 和60Hz两种，可通过多次算术平均将输出率降低至4Hz，作为最终的低速 AD 输出。低速 AD 有效精度可达19 位，轻松实现 2000 点精度人体秤设计。
CSU8RP1185实现压力开机过程是在进入待机之前取当时低速稳定 AD值作为基准，待机后看门狗定时唤醒采用7.8KHz 的 AD 输出率扫描传感器，获取高速 AD，然后将高速 AD 值与基准值比较，判断AD 变化是否超过 3kg，若小于 3kg 则返回待机状态，若超过3kg 则转换到低速 AD 获取 1 笔低速 AD 值计算重量，判断重量变化是否超过 5kg，若变化超过 5kg 则开机显示重量，反之则更新基准值进入待机状态，设计流程图如图 2 所示。
在同等 PGA 条件下，输出频率越低，AD 输出值越稳定，压力开机人体秤重点推荐 PGA=64，ADCF=500K。
4结语
低成本、高性能使 CSU8RP1185 获得衡器厂商的青睐，目前基于该芯片的压力开机人体秤方案已经得到温州、宁波、永康、中山、东莞、深圳等多地生产厂商的广泛采用。芯海科技开发了一套完整的 demo 方案，可以直接提供给方案商或厂家进行二次开发，缩短了开发周期，保证方案商或者厂家能够在最短的时间内开发出产品。
