MCU在家電設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 - 全文

關(guān)鍵詞： PSoC , MCU , 家電 , 家用電器

作者：賽普拉斯半導(dǎo)體公司Ronak Desai

微控制器單元（MCU）被廣泛應(yīng)用在洗衣機(jī)、空調(diào)、微波爐、吸塵器、電冰箱等多種家用電器中。MCU可主要用于電機(jī)控制、模擬傳感器測(cè)量、前面板鍵盤控制以及在LED/LCD上顯示結(jié)果等。本文將重點(diǎn)討論通過采用可編程片上系統(tǒng)（PSoC）器件，從而提供集成方法來實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)功能的家電設(shè)計(jì)。

面向電機(jī)控制和TRIAC/ LED/ LCD驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，家用電器行業(yè)采用了8/16/32位微控制器電路。微控制器可控制和管理電器的全部功能和特性。當(dāng)用戶按下“開始”按鍵時(shí)，輸入信號(hào)從前面板鍵盤傳到微控制器，接著MPU啟動(dòng)三相無刷直流（BLDC）電機(jī)或永磁同步電機(jī)（PMSM）。電機(jī)速度將根據(jù)前面板鍵盤中的用戶輸入實(shí)現(xiàn)變化和控制。

微控制器采用內(nèi)部或外部串行EEPROM（基于I2C/SPI）存儲(chǔ)舊數(shù)據(jù)，并使用RTC顯示準(zhǔn)確的時(shí)間信息。溫度測(cè)量則可采用基于板上RTD、熱敏電阻或熱電偶的溫度感應(yīng)器件來實(shí)現(xiàn)。

微控制器采用一個(gè)外部ADC和多個(gè)放大器接收來自傳感器、溫度及電池等不同的模擬輸入。其使用外部信號(hào)調(diào)節(jié)、比較器和門驅(qū)動(dòng)器電路來驅(qū)動(dòng)和控制三相BLDC/ PMSM電機(jī)。此外，微控制器還能通過IR接收器接收遙控輸入（38 kHz的輸入）。

需要采用外部緩沖驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)7段LED/LCD/圖形顯示器。通常情況下，具有背光源的7段LED/LCD/圖形顯示器可用于顯示溫度、電池輸入、速度值和錯(cuò)誤/警告消息。此外，微控制器還可連接I2C/ SPI等板上外設(shè)，以及UART/USB通信等外部外設(shè)。

洗衣機(jī)中的MCU

洗衣機(jī)中的MCU包含以下模塊：

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圖1：采用MCU的洗衣機(jī)方框圖

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圖2：采用集成SoC的洗衣機(jī)方框圖

在洗衣機(jī)中，MCU通過一個(gè)外部ADC接收不同的模擬輸入（如水位傳感器、水硬度傳感器、濕度傳感器、開門傳感器、洗衣負(fù)載傳感器、光學(xué)傳感器、洗滌劑濃度傳感器、負(fù)載失衡傳感器和容量傳感器等）。通過板上RTD實(shí)現(xiàn)溫度感應(yīng)，并采用外部EEPROM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如定制洗滌程序、存儲(chǔ)器備份、兒童鎖以及洗衣偏好等。微控制器還可支持洗衣機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)水量并關(guān)機(jī)。

此外，MCU還可控制自我診斷功能，包括供水故障、旋轉(zhuǎn)故障、排水故障、兒童鎖、防溢出及開門等。時(shí)鐘和定時(shí)器可用于實(shí)現(xiàn)休眠模式并在工作中添加延遲（延遲啟動(dòng)條件）。蜂鳴器（PWM型）不但能夠生成不同頻率的音調(diào)，還能在過載情況下提供警報(bào)音。洗滌完畢后，微控制器還能自動(dòng)關(guān)閉機(jī)器，從而節(jié)省電力。

空調(diào)中的MCU

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圖3：采用MCU的空調(diào)方框圖

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圖4：采用集成SoC的空調(diào)方框圖

在空調(diào)中，MCU通過一個(gè)外部ADC接收不同的模擬輸入（傳感器輸入）。通過板上RTD和熱敏電阻實(shí)現(xiàn)溫度感應(yīng)，并采用外部EEPROM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)（設(shè)置溫度值）。MCU通過使用PWM和比較器控制外部BLDC電機(jī)和風(fēng)扇。此外，MCU還可接收用于凈化的各種濾波器輸入。

用戶可設(shè)置所需的溫度，微控制器則根據(jù)所設(shè)溫度值控制電機(jī)和壓縮機(jī)。此外，微控制器采用繼電器驅(qū)動(dòng)器和TRIAC驅(qū)動(dòng)電路關(guān)閉電力線AC到系統(tǒng)的輸入，使用時(shí)鐘和定時(shí)器設(shè)置休眠模式、自動(dòng)斷開功能以及24小時(shí)開關(guān)定時(shí)器功能，并利用蜂鳴器（PWM型）生成不同頻率的音調(diào)。此外，微控制器還可控制自我診斷特性，并包含自動(dòng)重啟（在電源故障時(shí)會(huì)自動(dòng)讓空調(diào)恢復(fù)到此前的設(shè)置）和過流保護(hù)等功能。

微波爐中的MCU

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圖5：采用MCU的微波爐方框圖

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圖6：采用SoC的微波爐方框圖

在微波爐中，微控制器通過一個(gè)外部ADC接收模擬輸入（重量傳感器、濕度傳感器、容量傳感器、CT電流傳感器）。通過板上RTD和熱敏電阻實(shí)現(xiàn)溫度感應(yīng)，并采用外部EEPROM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如兒童鎖和可重復(fù)編程的烹飪數(shù)據(jù)等。

MCU可控制自我診斷功能，并包含自動(dòng)重啟（在電源故障時(shí)會(huì)自動(dòng)讓微波爐恢復(fù)到此前的設(shè)置）、自動(dòng)除臭、自動(dòng)保護(hù)及防溢出等功能。

微控制器使用時(shí)鐘和定時(shí)器實(shí)現(xiàn)休眠模式并在工作中添加延遲，采用蜂鳴器（PWM型）生成不同頻率的音調(diào)。除此之外，其還能在工作完成時(shí)自動(dòng)關(guān)閉微波爐，或在未使用/（用戶）未設(shè)置時(shí)進(jìn)入休眠模式，從而節(jié)省整體功耗。

吸塵器中的MCU

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圖7：采用MCU的吸塵器方框圖

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圖8：采用集成SoC的吸塵器方框圖

在吸塵器中，MCU采用PMW和比較器驅(qū)動(dòng)和控制三相電機(jī)（BLDC），并通過一個(gè)外部ADC接收不同的模擬輸入（加速計(jì)、CT電流傳感器和吸力傳感器）。通過板上RTD和熱敏電阻實(shí)現(xiàn)溫度感應(yīng)，并采用外部EEPROM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，微控制器還可接收不同的濾波器輸入（用于對(duì)空氣濾波器進(jìn)行監(jiān)控）。

在吸塵器中，微控制器使用時(shí)鐘和定時(shí)器實(shí)現(xiàn)休眠模式并在工作中添加延遲，采用蜂鳴器（PWM型）生成不同頻率的音調(diào)。此外，微控制器還利用繼電器驅(qū)動(dòng)器和TRIAC驅(qū)動(dòng)電路來切換電力線AC輸入的開/關(guān)。

電冰箱中的MCU

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圖9：采用MCU的電冰箱方框圖

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圖10：采用集成SoC的電冰箱方框圖

在電冰箱中，微控制器通過使用PWM和比較器來驅(qū)動(dòng)和控制三相電機(jī)（BLDC/ PMSM），從而根據(jù)用戶輸入控制風(fēng)扇。此外，微控制器通過外部ADC接收不同的模擬輸入（水位傳感器、濕度傳感器、冷卻傳感器、變溫室傳感器、開門傳感器、CT電流傳感器等）。它還接收霜凍/濕度檢測(cè)、水/冰分配器等其它輸入。通過內(nèi)外部溫度傳感器（RTD和熱敏電阻型）實(shí)現(xiàn)溫度感應(yīng)，并采用外部EEPROM存儲(chǔ)舊數(shù)據(jù)，如定制程序、存儲(chǔ)器備份、兒童鎖和偏好等。MCU還可支持電冰箱自動(dòng)適應(yīng)斷電情況。

用戶可設(shè)置電冰箱內(nèi)所需的溫度，微控制器則根據(jù)所設(shè)溫度控制電機(jī)和壓縮機(jī)。此外，微控制器還能通過有效改變壓縮機(jī)的速度來控制并調(diào)節(jié)熱流。自我診斷功能包括供水故障、冰制冷故障、具有存儲(chǔ)器備份的自動(dòng)重啟、兒童鎖、防病毒保護(hù)裝置、自動(dòng)平衡系統(tǒng)、防溢出和開門檢測(cè)等。

微控制器使用時(shí)鐘和定時(shí)器來設(shè)置定時(shí)器和日歷，實(shí)現(xiàn)休眠模式，并在工作中添加延遲。它用蜂鳴器（PWM型）生成不同頻率的音調(diào)，并在長時(shí)間開門情況下發(fā)出警報(bào)。

在關(guān)門情況下微控制器會(huì)自動(dòng)關(guān)閉某些功能，從而節(jié)省整體功耗。即使在斷電（休眠模式）情況下，它通過供應(yīng)冷空氣來延緩溫度的上升。用戶可將電冰箱設(shè)置為切斷狀態(tài)（holiday mode），從而讓MCU以最低能耗模式（休眠模式）運(yùn)行。MCU可為電冰箱提供不同的內(nèi)外部接口，包括通過USB、UART等提供的FM無線電、MP3播放機(jī)、均衡器、移動(dòng)充電器等接口。

在家用電器解決方案中實(shí)現(xiàn)PSoC

可編程SoC器件將具有可編程邏輯以及高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的微控制器與常用的固定功能外設(shè)完美結(jié)合，讓開發(fā)人員能夠在MCU中集成更多組件和功能，從而減少組件數(shù)量、減小PCB面積、降低系統(tǒng)成本并提高電源效率。此外，SoC器件還包含集成閃存、SRAM和EEPROM。

各種數(shù)字和模擬組件可用于支持多種電器功能。內(nèi)部RTC可取代外部時(shí)鐘/振蕩器電路。同樣地，USB和安全數(shù)字（SD）卡等集成接口可讓SoC無需采用外部控制器也能通信。集成DAC、ADC、PWM和比較器資源對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步集成，僅使用單個(gè)SoC就能提供電器所需的各種功能。

無傳感器式電機(jī)控制

無傳感器式電機(jī)控制方法不需要霍爾傳感器，它采用反電動(dòng)勢(shì)零交點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)來控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)線圈都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，被稱為反電動(dòng)勢(shì)（Back EMF），這個(gè)電壓與線圈供電的電源電壓相反，反電動(dòng)勢(shì)極性也和用于激勵(lì)線圈的電壓相反，同時(shí)其大小與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。

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圖11：采用集成SoC的無傳感器式電機(jī)控制

在圖11中，三相反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)端接，DC總線擴(kuò)展并路由到SoC。SoC使用MUX將端接輸入切換到比較器，并將其與DC總線電壓進(jìn)行比較。級(jí)聯(lián)數(shù)字邏輯將濾出PWM信號(hào)，從而獲得真正的零交點(diǎn)信號(hào)。微控制器將根據(jù)此信息決定整流。

可選的電流控制將應(yīng)用于PWM輸出控制，以調(diào)節(jié)電機(jī)的電流。內(nèi)環(huán)路基于比較器，反饋總線電流將與12位DAC提供的參考電流值進(jìn)行比較。改變DAC輸出將更改輸出電流值。

基于傳感器的（霍爾效應(yīng)）電機(jī)控制

基于傳感器的無刷電機(jī)控制采用霍爾傳感器輸入來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，從而控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。它將霍爾傳感器輸入提供給微控制器，并以閉環(huán)系統(tǒng)方式工作。這對(duì)于自動(dòng)速度鎖定系統(tǒng)非常有利。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

選擇具有更高CPU內(nèi)核、更快ADC（>= 500Ksps @ 10-bit）的高性能智能型微控制器，并內(nèi)置閃存、SRAM存儲(chǔ)器、EEPROM以及模擬和數(shù)字外設(shè)，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)高性能模擬測(cè)量、三相電機(jī)控制、LCD驅(qū)動(dòng)、低功耗工作、RTC以及不同外部協(xié)議接口等關(guān)鍵功能而言至關(guān)重要。此外，許多SoC器件還支持電容式感應(yīng)，無需使用機(jī)械部件即可實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)健性按鍵、滑條以及接近感應(yīng)型界面。微控制器可控制LED與電容式感應(yīng)，從而顯著簡化前面板設(shè)計(jì)。

實(shí)現(xiàn)電壓波動(dòng)保護(hù)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的一大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

實(shí)現(xiàn)防水功能和耐水特性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的一大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

實(shí)現(xiàn)通用電源和通用系統(tǒng)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的一大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

選擇具有低Ron和低門電容的功率MOSFET是驅(qū)動(dòng)三相汽車電機(jī)的關(guān)鍵。

采用高功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)以及充分滿足電源的較高板上電流要求，是電路板設(shè)計(jì)人員面臨的一大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

對(duì)于涉及機(jī)電構(gòu)造的電器而言，為電器應(yīng)用設(shè)計(jì)出低成本緊湊型機(jī)電解決方案是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的一大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

讓上述機(jī)電設(shè)計(jì)獲得EMI/EMC標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的一大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

家用電器應(yīng)用需要故障檢測(cè)和恢復(fù)機(jī)制。家用電器應(yīng)用同時(shí)也需要具有電池保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)以及啟動(dòng)故障條件等功能的電源設(shè)計(jì)。在家用電器應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)自我診斷功能是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的一大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

由于上述解決方案需要確保全天候持續(xù)工作，因此組件選擇和可靠性顯得至關(guān)重要，這也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的一大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

具有一次性可編程(OTP)特性的微控制器能避免固件遭到競爭對(duì)手和黑客的惡意反向工程破壞。

系統(tǒng)限制以及采用PSoC可改善之處

電容式感應(yīng)技術(shù)采用觸摸鍵盤取代機(jī)械按鍵。這不僅可減少由于機(jī)械按鍵造成的故障，還能提高產(chǎn)品的可靠性。許多SoC提供可隨時(shí)投產(chǎn)的庫和設(shè)計(jì)工具，能自動(dòng)調(diào)校按鍵和滑條的敏感度，從而無需在設(shè)計(jì)周期中進(jìn)行手工調(diào)校。此外，家用電器解決方案采用的電容式感應(yīng)界面也需要具備防水功能。因?yàn)樗芍С智版I盤的接近感應(yīng)功能，也就是說當(dāng)手指靠近鍵盤時(shí)就能激活前鍵盤。

前面板實(shí)現(xiàn)觸摸屏設(shè)計(jì)，取代一般的LCD顯示屏和鍵盤，從而可提高用戶界面質(zhì)量和靈活性。

iPod/iPhone等外部設(shè)備：SoC能通過UART和USB協(xié)議與iPod/iPhone實(shí)現(xiàn)通信。用戶能在家用電器上控制iPod/iPhone設(shè)備，并對(duì)其進(jìn)行充電。

由于其可編程特性，SoC器件必須支持家用電器的代碼安全性，可能還要實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙等個(gè)人局域網(wǎng)技術(shù)，這樣用戶就能創(chuàng)建自動(dòng)化家用電器網(wǎng)絡(luò)。

微波爐等家用電器的語音指導(dǎo)功能可幫助用戶一步步完成烹飪工作。如欲采用自動(dòng)調(diào)校的菜單，用戶需按下一次按鍵，語音將一步步介紹操作步驟。而這種功能也能通過SoC實(shí)現(xiàn)。

故障分析與返修材料：電路板上內(nèi)外部接口數(shù)量的增多將會(huì)加大破壞者或黑客給系統(tǒng)制造麻煩的機(jī)會(huì)。單芯片解決方案則將解決嵌入式系統(tǒng)所面臨的這一最大限制。

我們目前采用基于微控制器的架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)家用電器解決方案。今天的可編程片上系統(tǒng)（PSoC）架構(gòu)完美結(jié)合了微控制器和ASIC的功能，不僅可提高家用電器的易用性，同時(shí)還能降低產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)的成本。