CY8C22545的觸摸按鍵電磁爐設(shè)計(jì)

1.引言

電容感應(yīng)方式的觸摸按鍵有很多優(yōu)點(diǎn)，由于不需要機(jī)械結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵和薄膜按鍵，觸摸式按鍵有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，并由此帶來了時(shí)尚美觀的外觀設(shè)計(jì)。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種消費(fèi)類電子產(chǎn)品。越來越多的家電產(chǎn)品也開始采用觸摸按鍵，電磁爐是其中一個(gè)典型的應(yīng)用。

Cypress的觸摸技術(shù)Capsense是基于PSoC產(chǎn)品上的一種應(yīng)用。PSoC(可編程片上系統(tǒng))包含有8位微處理器核和數(shù)字與模擬混合信號(hào)陣列的可編程片上系統(tǒng)。不僅具有MCU的可編程序能力，還包含了部分可編程邏輯運(yùn)算功能，同時(shí)也提供了可編程模擬陣列，集三種可編程能力與一體。在大多數(shù)家電的觸摸應(yīng)用中，一般包括觸摸感應(yīng)處理和系統(tǒng)控制處理。PSoC可提供該類應(yīng)用中所需要的資源，并簡化了系統(tǒng)。

2.電磁爐控制原理及結(jié)構(gòu)

電磁爐采用磁場感應(yīng)電流加熱原理。它利用交變電流通過線圈產(chǎn)生交變磁場，交變磁場在鐵質(zhì)鍋具的底部產(chǎn)生感應(yīng)電流(又稱渦流)，渦流使鍋具鐵分子高速無規(guī)則運(yùn)動(dòng)分子互相碰撞摩擦而產(chǎn)生熱能。圖1是典型的電磁爐系統(tǒng)框圖。

電磁爐的主回路為一個(gè)LC諧振電路，諧振頻率在20-30KHz左右。諧振回路由市電經(jīng)過整流濾波后產(chǎn)生的310V直流電壓供電。主回路中的IGBT工作在低開關(guān)損耗的零電壓開關(guān)方式(ZVS)，使線盤與諧振電容產(chǎn)生諧振電壓，從而實(shí)現(xiàn)電磁的轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)IGBT零電壓開關(guān)的控制，電路中需要對(duì)IGBT上的電壓進(jìn)行檢測，或稱作同步檢測，只有在IGBT上的電壓接近零電壓時(shí)才允許IGBT導(dǎo)通。電磁爐的功率調(diào)整是通過對(duì)IGBT功率管進(jìn)行PWM占空比的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)的，PWM占空比增大時(shí)，IGBT導(dǎo)通時(shí)間增長，為線盤提供的電流增大，相應(yīng)增大電磁爐的功率。振蕩器電路就是用于產(chǎn)生PWM信號(hào)以驅(qū)動(dòng)IGBT，PWM占空比由諧振電路和主控制器提供的參考電壓等共同決定的。通常，主控制器是通過輸出PWM占空比信號(hào)，并經(jīng)過一個(gè)RC濾波器來產(chǎn)生參考電壓。電流負(fù)反饋控制是通過檢測市電輸入電流實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT電流的控制。電路對(duì)電流采樣信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)而減少IGBT的導(dǎo)通時(shí)間而減少IGBT平均電流。其他電路還包括電網(wǎng)電壓檢測，IGBT及鍋面溫度檢測，浪涌保護(hù)電路等一些外圍接口電路。主控制器通過上述采樣和控制電路可進(jìn)行恒功率控制，恒溫控制，過欠壓保護(hù)，過溫保護(hù)等一系列控制。

圖1. 電磁爐系統(tǒng)框圖

由于電磁爐控制面板和主電路通常放置在電磁爐中的不同位置，為了設(shè)計(jì)和維修的方便性，大多數(shù)的設(shè)計(jì)都采用兩個(gè)PCB板的方式 – 功率板和用戶接口面板。根據(jù)主控MCU放置的位置，大多可以分成以下三種結(jié)構(gòu)。

1)主控MCU放置在功率板上，用戶接口面板為簡單的按鍵和LED顯示。系統(tǒng)中只有一個(gè)MCU，成本較低，兩個(gè)PCB板之間通過較多的線束進(jìn)行連接。

2)主控MCU放置在功率板上，用戶接口面板用另外一個(gè)MCU進(jìn)行控制。兩個(gè)PCB板之間通過較少的線束連接。通常用于較高端的設(shè)計(jì)中，面板可以進(jìn)行較復(fù)雜的操作。

3)主控MCU放置在用戶接口面板上，功率板由幾個(gè)運(yùn)放及一些離散器件構(gòu)成。PCB之間的線束適中，系統(tǒng)成本較低，面板也可進(jìn)行較復(fù)雜的操作。多數(shù)設(shè)計(jì)采用這種方式。

3.觸摸按鍵電磁爐控制器

由于消費(fèi)者在選擇電磁爐時(shí)更多注意力是集中在爐具的外觀上，觸摸按鍵類的產(chǎn)品因此也越來越多的引入到電磁爐的設(shè)計(jì)中。在初期的設(shè)計(jì)中，多數(shù)采用分立器件設(shè)計(jì)觸摸按鍵。雖然成本較低，但分立器件調(diào)試非常困難，不適于批量生產(chǎn)，因此多數(shù)新的設(shè)計(jì)采用專用觸摸按鍵控制器。觸摸按鍵專用芯片的引入增加了系統(tǒng)的成本和設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，并改變了原有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。PSoC可集成觸摸控制及主控功能為一體，可很好的將原有的非觸摸式電磁爐設(shè)計(jì)升級(jí)到觸摸式電磁爐。

3.1 CY8C22545介紹

CY8C22x45系列產(chǎn)品是Cypress針對(duì)觸摸應(yīng)用及系統(tǒng)控制而專門設(shè)計(jì)的PSoC器件。圖2是CY8C22x45的系統(tǒng)框圖，它與普通的PSoC產(chǎn)品有相同的架構(gòu)，包括有8個(gè)數(shù)字模塊和6個(gè)簡化型的模擬模塊。這些模塊可根據(jù)客戶具體需要配置成為不同的外設(shè)，例如PWM發(fā)生器，定時(shí)器，ADC，比較器等。CY8C22x45為用戶提供了最多可到38個(gè)通用I/O, 16Kbyte閃存及1Kbyte的SRAM以及其它一些片上資源，例如10bit SAR ADC，電壓參考源(VDAC)，I2C通信模塊， 硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)。該系列器件專門為觸摸設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的片上資源，并優(yōu)化了內(nèi)部掃描電路。在不占用片上其他數(shù)字資源的情況下，可以實(shí)現(xiàn)雙通道的信號(hào)同時(shí)掃描，從而縮短所有按鍵總的掃描時(shí)間。

CY8C22x45可支持Cypress公司的CSA 和CSD 的Capsense算法，并可支持各種不同的觸摸設(shè)計(jì)，例如按鍵，線型滑條，圓形滑條，ITO觸摸屏等等。通過Cypress提供的圖形化設(shè)計(jì)軟件，用戶可以方便的將觸摸檢測和系統(tǒng)控制功

能完美的集成在同一個(gè)PSoC控制器上來完成。

圖2. CY8C22x45系統(tǒng)框圖

3.2 觸摸按鍵設(shè)計(jì)

CY8C22545片上包含有優(yōu)化的觸摸控制邏輯，圖3是該器件用于一個(gè)通道的CSD觸摸感應(yīng)控制的內(nèi)部硬件框圖。與以往的Cypress觸摸產(chǎn)品比較，CY8C22545產(chǎn)品有以下一些特點(diǎn)：

1)CY8C22545采用左右兩條模擬總線的結(jié)構(gòu)，所有的IO口都可通過模擬開關(guān)分別接到左右兩邊的模擬總線上。所有的IO口都可作為觸摸傳感器的輸入端。另外，CY8C22545內(nèi)部設(shè)計(jì)了兩套掃描控制邏輯，可支持兩個(gè)觸摸傳感器同時(shí)進(jìn)行掃描的操作，這樣可以減少總的按鍵掃描時(shí)間。在微波爐等多按鍵(或滑條)的設(shè)計(jì)中，這種方式有著獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

2)該器件內(nèi)部有兩個(gè)電流源(IDAC)，每個(gè)電流源有256級(jí)調(diào)節(jié)范圍，可輸出0"640uA電流，基本可替代各種Capsense精度配置時(shí)所采用的外部放電電阻，因此只需要一個(gè)外接的充放電電容即可完成感應(yīng)電容的檢測。另外，采用內(nèi)部IDAC替代外部放電電阻這種方法在做Capsense參數(shù)調(diào)整時(shí)非常方便，無需更換外部電阻即可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的優(yōu)化配置。當(dāng)然，客戶仍然可以選擇使用外部電阻作為Capsense的放電電阻。

3)掃描時(shí)鐘源，計(jì)數(shù)器和定時(shí)器都用專用的資源來支持，不占用任何數(shù)字模塊資源，因此可以有更多的數(shù)字資源用于系統(tǒng)控制。

4)另外，由于電路上的優(yōu)化，每個(gè)按鍵掃描完成后才產(chǎn)生一次中斷，因此大大的減少CPU干預(yù)時(shí)間，使得CPU有更多時(shí)間處理其它任務(wù)。

圖3. CSD觸摸感應(yīng)控制邏輯框圖

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用目前市面上比較流行的電磁爐結(jié)構(gòu)，即功率板由一片LM339及一些分立器件構(gòu)成，而用戶接口板由MCU及LED等分立器件構(gòu)成。功率板實(shí)現(xiàn)了包括同步檢測，電流負(fù)反饋控制，振蕩電路，浪涌保護(hù)等控制，本文就不再詳述。用戶接口板實(shí)現(xiàn)了觸摸感應(yīng)控制，LED數(shù)碼管和LED燈掃描驅(qū)動(dòng)，用戶菜單管理，IGBT及鍋具溫度檢測，過溫保護(hù)，供電電源過欠壓保護(hù)，電磁爐恒功率控制，恒溫控制，風(fēng)扇、蜂鳴器等外設(shè)控制以及其他一些系統(tǒng)主控功能。圖4是用戶接口板的硬件框圖。

圖4. 用戶接口控制板框圖

CY8C22545采用44 pin 的TQFP封裝，最多有38個(gè)I/O，可支持到37個(gè)觸摸傳感器的輸入，因此可滿足大多數(shù)復(fù)雜的用戶接口板設(shè)計(jì)。如果IO數(shù)量不能滿足需求，用戶可以通過SPI接口與外部一片74LS164完成IO口的擴(kuò)展用于LED等外圍器件的驅(qū)動(dòng)。

在本設(shè)計(jì)中，CY8C22545對(duì)外部12個(gè)觸摸感應(yīng)按鍵進(jìn)行檢測，SAR10 ADC對(duì)各個(gè)溫度傳感器及AC電源的電壓和電流進(jìn)行采樣，并使用了三個(gè)數(shù)字模塊分別配置成三個(gè)8bit精度的PWM發(fā)生器，用于驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以及產(chǎn)生功率控制用的PWM參考信號(hào)。另外，用一個(gè)數(shù)字模塊配置為8bit的定時(shí)器，用于固件的時(shí)基。如果需要IO擴(kuò)展，則可用一個(gè)數(shù)字模塊配置為SPI接口以驅(qū)動(dòng)外部串并轉(zhuǎn)換邏輯。

恒功率控制和恒溫控制是電磁爐主要的兩種工作模式。在本系統(tǒng)中分別采用了兩個(gè)PID閉環(huán)控制算法實(shí)現(xiàn)恒功率控制和恒溫控制。由于這兩種系統(tǒng)具有不同的時(shí)間參數(shù)，需要分別調(diào)整設(shè)定系統(tǒng)PID參數(shù)。

無鍋檢測是電磁爐中一個(gè)重要的技術(shù)，它包含放置檢測和移開檢測。放置檢測采用脈沖方式。在電磁爐正常工作之前，CY8C22545使主諧振電路打開一個(gè)很小的時(shí)間，通過計(jì)算諧振過零點(diǎn)個(gè)數(shù)檢測諧振電路的振蕩次數(shù)。當(dāng)沒有鍋具時(shí)，主諧振電路處于欠阻尼狀態(tài)，諧振過零點(diǎn)檢測端有較多的脈沖產(chǎn)生。有鍋具時(shí)，主諧振電路處于阻尼狀態(tài)，此時(shí)諧振過零點(diǎn)檢測端產(chǎn)生的脈沖較少。CY8C22545能夠通過檢測脈沖的數(shù)量決定是否有鍋具存在。移開檢測采用了電流檢測的方法。當(dāng)電磁爐正常工作時(shí)，工作電流會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)正常范圍內(nèi)。如果移開鍋具，系統(tǒng)的電流會(huì)急劇下降到一個(gè)較小的范圍。CY8C22545可以通過檢測電流的急劇下降，判定鍋具移開。另外，在CY8C22545輸出一個(gè)固定占空比PWM的條件下，系統(tǒng)的工作電流會(huì)維持在一個(gè)特定的范圍。CY8C22545也可以通過檢測當(dāng)前電流是否符合當(dāng)前PWM的占空比來判斷鍋具是否移開。

4.結(jié)語

采用PSoC CY8C22545的觸摸按鍵電磁爐設(shè)計(jì)，利用其模擬、數(shù)字和觸摸感應(yīng)專用邏輯使整個(gè)系統(tǒng)只用了一個(gè)PSoC芯片便實(shí)現(xiàn)了觸摸按鍵電磁爐的控制功能。結(jié)構(gòu)非常簡潔明了，不需要太多的外圍元件。在觸摸感應(yīng)的參數(shù)調(diào)整上非常靈活方便，為客戶的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)節(jié)省許多調(diào)試時(shí)間。