利用I/O模擬多路復用器PSoC簡(jiǎn)化傳感器控制設計

賽普拉斯公司的CY8C21×34可編程系統級芯片(PSoC)混合信號陣列具有一個(gè)I/O模擬多路復用器，由于每個(gè)引腳都可以被用作一個(gè)模擬輸入，因此采用單個(gè)SoC便能夠輕松實(shí)現需要大量不同類(lèi)型傳感器的控制應用。本文介紹了在多種傳感器控制應用中如何利用該器件來(lái)簡(jiǎn)化設計。

圖1：模擬多路復用器/系統連接。

工業(yè)控制應用常常需要許多模擬輸入，即使是具有一個(gè)PWM輸出的最簡(jiǎn)單的風(fēng)扇控制器也有可能需要對數量眾多的溫度傳感器進(jìn)行監控。模擬輸入是寶貴的資源，經(jīng)常很快就會(huì )被消耗殆盡。在很多場(chǎng)合，設計工程師不得不采用一個(gè)更加昂貴的部件，從而導致一些多余的空閑資源，或者必須增加外部多路復用器，以滿(mǎn)足對模擬輸入信號訪(fǎng)問(wèn)次數增加的需要。而且，傳感器并不總是提供一個(gè)緩沖輸出電壓，它們有可能將信號轉換成某些非電壓參數，比如電阻或電容。在不少情況下，信號調節的成本會(huì )超過(guò)控制器的成本。

在選擇控制器的時(shí)候，始終存在這樣一個(gè)問(wèn)題，那就是設計工程師必須規定多少個(gè)模擬輸入。對于一個(gè)只需要6個(gè)輸入的系統而言，8個(gè)輸入是否足夠?需求會(huì )不會(huì )繼續提高?一個(gè)特定的控制器系列能夠處理多少個(gè)模擬輸入?如果我的設計需要升級至一個(gè)具有更多輸入的器件，那么我的可選方案是什么?這種選擇必須在竭力滿(mǎn)足項目的成本要求、并同時(shí)順應客戶(hù)和市場(chǎng)部門(mén)不斷變化的規格要求的情況下做出。一種簡(jiǎn)單的解決方案便是使每個(gè)引腳都能夠成為一個(gè)模擬輸入，而這在過(guò)去是做不到的，I/O模擬多路復用器將其變?yōu)榱爽F實(shí)。

I/O模擬多路復用器是一種大型交叉開(kāi)關(guān)，它允許將任何引腳連接至一個(gè)控制系統的模擬陣列。就是這樣的一個(gè)多路復用器被內置于CY8C21x34可配置混合信號陣列之中。該器件每個(gè)引腳均具有一個(gè)開(kāi)關(guān)，當某個(gè)開(kāi)關(guān)被選擇時(shí)，則將其所在的引腳與一根模擬總線(xiàn)相連。該控制器系列提供了多達28個(gè)I/O引腳，每個(gè)引腳都有可能成為一個(gè)模擬輸入。該總線(xiàn)還與一個(gè)模擬陣列相連。模擬陣列由4個(gè)可配置模塊組成，當這些模塊與數字資源組合在一起時(shí)，將形成復雜的信號處理器?？赡艿哪M功能包括10位模擬-數字轉換器(ADC)和比較器。

圖2：具有電流DAC的模擬多路復用器。

傳感器是一種換能器，用于把某種物理量變換成可進(jìn)行電氣測量的參數。對于許多換能器來(lái)說(shuō)，這種轉換的最終結果是電壓。例如，LM35溫度傳感器就提供了一個(gè)與溫度成正比的輸出電壓。溫度的測量只需對輸出電壓進(jìn)行數字化處理，采用適當的轉換公式(在本例中為：Temp=Vmeasured/10mV)即可把電壓轉換成溫度。

以一個(gè)需要在系統中測量16處溫度的控制應用為例，簡(jiǎn)單的做法是在所需之處安放傳感器并將其各自連接至一個(gè)引腳。模擬陣列被配置為一個(gè)ADC并連接至模擬總線(xiàn)。利用該拓撲結構，即可將每個(gè)傳感器順序連接至模擬總線(xiàn)并進(jìn)行數字化處理。某些類(lèi)型的傳感器具有一個(gè)阻性輸出，此類(lèi)傳感器包括熱敏電阻、光電管、應力計和傳導單元。這些傳感器的信息讀出需要通過(guò)電阻測量來(lái)完成，通常的做法是采用一個(gè)DC電流來(lái)模擬傳感器輸出并測量負載電壓。

為了方便電阻的測量，在CY8C21x34的模擬總線(xiàn)上增設了一個(gè)可編程電流DAC。該電流DAC可在兩個(gè)范圍內進(jìn)行選擇和調節：0～20μA或0～400μA。如需讀出電阻，則只要把傳感器連接至一個(gè)與模擬總線(xiàn)相連的引腳并開(kāi)啟電流DAC即可，將會(huì )產(chǎn)生一個(gè)與電阻和電流的乘積相等的負載電壓?？衫帽慌渲脼锳DC的模擬模塊來(lái)讀出該電壓。對該設計方案進(jìn)行校準的方法之一是犧牲一個(gè)引腳來(lái)連接一個(gè)外部基準電阻器。首先測量基準電阻，測得的電壓始終與電阻成正比;接著(zhù)測量傳感器電阻，在已知測量電壓和基準電阻器阻值的情況下，即可計算傳感器電阻：

現在，傳感器電阻讀數的準確度僅受限于基準電阻器的準確度和ADC的分辨率。任何增益誤差都不會(huì )被帶入計算之中。

然后，假設先前討論的控制應用在規格上有一個(gè)變化，即要求用熱敏電阻來(lái)代替LM35。所選的特定熱敏電阻具有10kW/25℃的標稱(chēng)電阻，簡(jiǎn)單的實(shí)現方法是把熱敏電阻布設于所需的位置并將它們各自連接至一個(gè)引腳。將一個(gè)多余的引腳連接至10kW基準電阻器，并設定電流DAC產(chǎn)生一個(gè)100μA的電流。通過(guò)將模擬陣列配置為一個(gè)ADC，即可順序測量每個(gè)負載電壓并計算所有熱敏電阻的阻值，再利用合適的方程來(lái)把這些電阻值轉換為溫度值。

圖3：具有放電電路的模擬多路復用器。

有些類(lèi)型的傳感器具有容性輸出，其中包括加速計和壓力傳感器。與產(chǎn)生DC負載電壓的阻性傳感器不同，當采用DC電流來(lái)激勵時(shí)，容性傳感器將產(chǎn)生一個(gè)斜坡電壓，斜率與激勵電流成正比，而與測量電容成反比。為了方便該轉換速率的測量，在CY8C21x34的模擬總線(xiàn)上增設了一個(gè)放電開(kāi)關(guān)。當被選擇時(shí)，該開(kāi)關(guān)將把模擬總線(xiàn)放電至地電位?？刹捎枚喾N可配置資源來(lái)控制其操作。如欲測量斜坡，則把模擬模塊配置成采樣比較器。

比較器的輸出負責控制放電開(kāi)關(guān)。該拓撲結構形成了一個(gè)弛張振蕩器(relaxaTIon oscillator)。當斜坡電壓上升至跳變點(diǎn)(trip point)時(shí)，比較器將關(guān)閉放電通路并重新把模擬總線(xiàn)放電至地電位。然后，比較器釋放開(kāi)關(guān)，電壓繼續上升。比較器輸出被饋送至配置了一個(gè)頻率計數器或周期定時(shí)器的數字部分。電容值可以從測量的數字信號推導出來(lái)。

現在，假設一個(gè)需要測量壓力的控制應用。微加工技術(shù)的發(fā)展使得能夠利用固定在玻璃襯底上的硅薄膜來(lái)制作廉價(jià)的壓力傳感器。壓力的變化會(huì )使薄膜產(chǎn)生偏移，從而導致電容的改變。然而，熱膨脹也會(huì )引發(fā)電容的變化，使得這些傳感器容易受到溫度的影響。相應的解決方案是在相同的襯底上設置一個(gè)基準電容器，并測量?jì)蓚€(gè)電容的比值。

在測量壓力時(shí)，將兩個(gè)容性輸出均與PSoC引腳相連。模擬部分如今被配置為一個(gè)具有1.3V觸發(fā)電平的采樣比較器，并用于控制放電開(kāi)關(guān)。電流源被設定為10μA。對于一個(gè)10pF的標稱(chēng)電容，產(chǎn)生的電壓變化斜率為1V/μs。在該速率條件下，斜坡電壓將需要1300ns的時(shí)間才能達到1.3V的跳變點(diǎn)。數字部分計算出的頻率為769kHz。測量頻率與測量電容成反比。對每個(gè)電容進(jìn)行順序測量，并計算一個(gè)比值。這兩個(gè)數值之比將消除任何由于電流源或用于計算頻率的系統時(shí)鐘的不精確性所引發(fā)的誤差