基于PS081的太阳能衡器和高数字传感器

　　前言

　　数字测量芯片PS081的一个应用方向为太阳能衡器。与电子衡器耗电量大的主要是传感器、ADC、MCU三大块。为此，通常的解决方案需要采用以下方法来实现整体低功耗特性：对传感器采用间歇供电或脉冲供电来降低传感器用电功耗；采用高阻应变传感器；提高ADC输出速率，减少每次采样时间从而降低采样功耗；提高ADC有效位，以在高速下保证衡器；提高SoC运行速度以降低每MHz的功耗；降低LCD驱动电路功耗；提高集成度，减少外围器件……

　　数字测量芯片PS081的另一个应用方向为高、高性能数字传感器。相对于生产技术成熟，应用广泛的模拟传感器来说，数字传感器目前还仅仅处于技术发展阶段。而采用数字测量芯片PS081的数字传感器方案，却能为数字传感器带来一个新的方向。通过全新的测量技术，来改进现有的生产流程，带来意想不到的效费比，使得无论在商业角度还是技术角度都将为数字传感器的应用打开一个新的篇章。

　　1、PS081—单芯片数字测量芯片

　　如图1所示，PS081是一款完全的单芯片方案，芯片本身带有acam公司的 24位内部集成MCU单片机，2k x 8-位的 EEprom 可擦除编程内部存储器，用于电池低压检测的嵌入带隙基准电压，带有廉价的碳阻的温度测量端口，看门狗定时器，串行 SPI 接口等等。那么外部仅需要非常少的外部原件就可以设计出高性能高，低功耗的衡器。

　　图1 PS081内部结构图

　　2、高时间测量原理

    2.1 TDC—时间数字转换器：

　　PS081芯片采用来自于德国acam公司创新的PICOSTRAIN测量原理，而其与其他数模芯片（A/D）的不同是，其内部测量是通过纯数字化的TDC（时间数字转换器）测量单元为来实现的。其测量原理如下：

　　TDC是Internet Explorer 4.0及以上版本提供的一个组件，它以有界定符文本文件作为数据来源，利用缓冲机制，在本地机实现对数据的动态控制，并支持Recordset集的属性和方法。如果将TDC数据绑定到WEB页面的HTML元素，可以不依赖ASP、CGI等服务器端处理逻辑，实现用户与页面的动态交互，减少动态网页对服务器的依赖程度，减轻服务器的压力和缓解网络拥挤。

　　TDC测量单元的内部是利用信号通过逻辑门的时间延迟来量化时间间隔的。也就是说它计算了在一定的时间间隔内有多少个反向器被通过，在被测时间间隔内信号通过了多少个反向器。测量结果的非常严格的依赖于芯片内部的基础逻辑门的延迟时间。测量从10皮秒到 100皮秒可以通过简单的测量内核以及现代化的CMOS技术轻松达到。

　　2.2PICOSTRAIN测量原理：

　　根据TDC的这种测量原理，德国acam公司将这种原理应用到了电阻应变的测量上，获得了非常好的效果，这种TDC和应变传感器测量的结合就是PICOSTRAIN测量原理。下图为PICOSTRAIN测量原理图：

　　图3 PICOSTRAIN测量原理

　　应变测量本身是通过测量放电时间来间接体现的。放电时间是测量应变电阻通过一个放电电容Cload放电来获得。正相变化和反向变化的应变电阻的放电时间都会被进行测量。两个放电时间的比值则会反映应变电阻的变化信息。时间测量是通过高内部时间单元TDC来完成的，可以获得15ps的测量。（通过平均可以达到0.5ps）。

　　在PICOSTRAIN 的测量原理中额外的电路和数学算法对于误差源如Rdson和比较器的传播延迟进行了补偿，结果的是非常高的，几乎没有增益误差和温度的影响。 由于这种补偿我们定义了测量结果由8次充电放电构成。半桥的供电直接通过PICOSTRAIN的电路供电，不需要额外给应变电阻供电，而且参考电压也不要求。而通过脉冲驱动的方式PICOSTRAIN系统可以很容易的控制通过整个系统的电流，更重要的是相比数模转换器而言它极大限度的减少了整个系统的电流消耗，从而可以实现了超低功耗的设计！

　　3、PICOSTRAIN革新的温度补偿方法

　　PICOSTRAIN测量原理的基本就是通过传感器电阻对一个电容（Cload）进行放电，然后记录放电的时间。将传感器链接成两个半桥，另外Rspan电阻连接到中间的一个半桥上，组成我们所称的PICOSTRAIN全桥连接。可以想象对于每个半桥的应变电阻进行放电，芯片内部就可以计算出当包括Rspan电阻的路径时间，通过这个时间就可以将Rspan电阻的时间变化计算出来，通过这个计算就可以很容易的获得Rspan的调整系数，通过和PS081芯片内部的增益补偿寄存器TKGain配合就可以很容易的实现温度补偿。

　　PICOSRAIN原理将电阻应变的测量转化成为对放电时间的测量。 的测量方法使测量的可以与高端24位数模转换器相媲美。，同时对于零点和增益温度漂移的补偿以及对于PICOSTRAIN的调整使其可以击败其他任何竞争对手。因此PICOSTRAIN 产品非常适合于测量电阻应变。 这里有一点使 PICOSTRAIN是不可战胜的：  整个传感器的超低电流消耗 - 转换器-系统。 可以使用与电池驱动系统， 尤其在无线应变传感器测量中可以很显着的延长操作时间。

　　测量电阻应变是传感器技术的一个非常大的挑战。由于在满度时仅0.2%（2000ppm）的微小变化和16位的高要求或更高，电阻值必须要被非常的在ppb范围内测量。这一点只能通过测量电阻的比值来实现。

　　这里  测量原理引入了全新的方法。电阻的比值通过时间间隔的测量来求出，而不是像惠斯通电桥通过电压变化来求得。传感器和电容一起构成了一个低通滤波器。电容器先充电到 Vcc,然后通过传感器电阻进行放电。 放电到阚值电压（可调整）的时间由TDC（时间数字转换器）的测量出来。

　　图4

　　为了调整增益和零点偏移，需要仅的温度试验来找出相应的系数，由于无需进行手动调整，整个调整过程可以在终生产好传感器之后进行，调整的过程需要很少的时间，却可以非常的！参见下图：

　　图5 PICOSTRAIN补偿后的零点偏移和OIML6000标准对比图

　　4、高、低功耗特性

　　PS081的特性就是高和低功耗。那么和传统的ADC方案相比较，PS081的功耗会怎么样呢？让我们来对PS081和目前市场上主流的ADC做一个功耗对比：

　　电流消耗

　　PS081

　　ADS1230

　　CS5532-BS

　　在测量速度转换器电流（不包括传感器）

　　0.39mA

　　0.995mA

　　16mA

　　测量性能情况下包括传感器在内（350R传感器）

　　4.5mA

　　15mA

　　30.3mA

　　3000 OMIL分度，5Hz情况下的整体电流消耗

　　0.18mA

　　15mA

　　15mA

　　通过上面的表格我们可以看出，PS081的功耗都是的。这也是为什么我们的PS081可以应用于太阳能衡器的一个原因。下面我们来再看一个图表：

　　显示分度

　　输出频率

　　应变灵敏度

　　工作电流在3V情况下

　　衡器类型

　　工作时间

　　2.000

　　3Hz

　　（6Hz）

　　1mV/V

　　1 K?

　　15u A

　　（25u A）

　　太阳能

　　无需电池

　　2.000

　　5Hz

　　1mV/V

　　1 K?

　　????

　　60 μA

　　90 μA

　　邮局称、人体秤、厨房秤、包裹称

　　3.000 hours

　　（1xCR2032）

　　5.000

　　5Hz

　　1mV/V

　　1 K?

　　???

　　120 μA

　　220 μA

　　高端邮局称、厨房秤、手掌秤

　　1.500 hours

　　（1x CR2032）

　　10.000

　　5Hz

　　1mV/V

　　1 K?

　　???

　　300 μA

　　700 μA

　　高端手掌秤、简单计数秤

　　2.000 hours

　　（1 x CR2430）

　　15.000**

　　5Hz

　　1mV/V

　　1 K?

　　???

　　2.5 mA

　　6.0 mA

　　计价秤、高端商业称

　　1.000 hours

　　* 峰-峰 值 = 6 Sigma

　　900.000 有效分度或 8 nV RMS 噪声， 工作电压 3.6V应用350Ohm传感器 ，因为1k ohm传感器的热噪声比较差

　　PS081在10HZ以上的刷新频率下可以做到10万分度的衡器，所以对于acam的PS081来说可以做到更高的分度，可以达到20万稳定显示分度！

　　5、方案介绍 5.1 PS081在太阳能衡器上的应用

　　采用PS081在低功耗上的技术优势，可以设计出太阳能衡器。目前世强电讯在太阳能衡器上的方案有太阳能人体秤和太阳能厨房秤两种：

　　方案1、太阳能人体秤：

　　人体秤：150Kg,分辨0.1Kg的测量

　　超低的电流消耗：

　　- 正常测量模式时整体电流消耗17μA

　　- 在扫描模式仅8 μA

　　在扫描模式也会有持续的测量， 可以自动检测重量 （”Auto-On “）

　　无需电池

　　“绿色产品” – 环境保护的电子

　　方案2、太阳能厨房秤：

　　5000 分度。/3Hz 厨房秤可以仅用太阳能电池板驱动 （1mV/V, 25μA, 单点厨房秤）

　　10000 分度。/6Hz 厨房秤带有 2xAAA 电池 --> 6000 工作小时

　　可以应用半桥传感器没有任何损失

　　5.2 PS081在数字传感器中的应用

　　PICOSTRAIN提供了革新的温度补偿测量，无需机械调整传感器，温度补偿非常容易

　　提高了传感器整体性能质量，可以满足OIML6000分度

　　PICOSTRAIN单芯片为数字传感器提供了高灵活性

　　PICOSTRAIN测量原理可以灵活配置调整

　　高测量（20万峰-峰值显示分度）

　　低功耗测量（功耗小于20u A）

　　高速测量（速度可以达到1000Hz）

　　与单片机或者接收器的通信可由SPI接口来完成

　　结语

　　PS081的推出，受到广大的技术人员的应用，其低功耗和高的单芯片方案正符合了当前衡器市场发展的潮流，既符合了世界对节能环保产品的发展趋势，也为衡器技术的发展提供了一个很好的契机。故该芯片一经推出就受到了市场的广泛关注，太阳能人体秤已经批量应用，太阳能厨房秤和其他的太阳能产品正在不断的推出市场，而数字传感器将是一个新的开始。
  

参考文献:

[1]. ADS1230 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ADS1230_1312656.html.
[2]. CS5532-BS datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CS5532-BS_1053580.html.