采用I/O模擬多路復(fù)用器PSoC優(yōu)化傳感器控制設(shè)計(jì)

CY8C21×34可編程系統(tǒng)級(jí)芯片(PSoC)混合信號(hào)陣列具有一個(gè)I/O模擬多路復(fù)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(xiàn)需要大量不同類型傳感器的控制應(yīng)用。本文介紹了在多種傳感器控制應(yīng)用中如何利用該器件來簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

　　圖1：模擬多路復(fù)用器/系統(tǒng)連接。

　　工業(yè)控制應(yīng)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(duì)數(shù)量眾多的溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)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(shè)計(jì)工程師不得不采用一個(gè)更加昂貴的部件，從而導(dǎo)致一些多余的空閑資源，或者必須增加外部多路復(fù)用器，以滿足對(duì)模擬輸入信號(hào)訪問次數(shù)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(hào)轉(zhuǎn)換成某些非電壓參數(shù)，比如電阻或電容。在不少情況下，信號(hào)調(diào)節(jié)的成本會(huì)超過控制器的成本。

　　在選擇控制器的時(shí)候，始終存在這樣一個(gè)問題，那就是設(shè)計(jì)工程師必須規(guī)定多少個(gè)模擬輸入。對(duì)于一個(gè)只需要6個(gè)輸入的系統(tǒng)而言，8個(gè)輸入是否足夠?需求會(huì)不會(huì)繼續(xù)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(shè)計(jì)需要升級(jí)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足項(xiàng)目的成本要求、并同時(shí)順應(yīng)客戶和市場(chǎng)部門不斷變化的規(guī)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，而這在過去是做不到的，I/O模擬多路復(fù)用器將其變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)。

　　I/O模擬多路復(fù)用器是一種大型交叉開關(guān)，它允許將任何引腳連接至一個(gè)控制系統(tǒng)的模擬陣列。就是這樣的一個(gè)多路復(fù)用器被內(nèi)置于CY8C21x34可配置混合信號(hào)陣列之中。該器件每個(gè)引腳均具有一個(gè)開關(guān)，當(dāng)某個(gè)開關(guān)被選擇時(shí)，則將其所在的引腳與一根模擬總線相連。該控制器系列提供了多達(dá)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(dāng)這些模塊與數(shù)字資源組合在一起時(shí)，將形成復(fù)雜的信號(hào)處理器。可能的模擬功能包括10位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和比較器。

　　圖2：具有電流DAC的模擬多路復(fù)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(cè)量的參數(shù)。對(duì)于許多換能器來說，這種轉(zhuǎn)換的最終結(jié)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(cè)量只需對(duì)輸出電壓進(jìn)行數(shù)字化處理，采用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換公式(在本例中為：Temp=Vmeasured/10mV)即可把電壓轉(zhuǎn)換成溫度。

　　以一個(gè)需要在系統(tǒng)中測(cè)量16處溫度的控制應(yīng)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。利用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即可將每個(gè)傳感器順序連接至模擬總線并進(jìn)行數(shù)字化處理。某些類型的傳感器具有一個(gè)阻性輸出，此類傳感器包括熱敏電阻、光電管、應(yīng)力計(jì)和傳導(dǎo)單元。這些傳感器的信息讀出需要通過電阻測(cè)量來完成，通常的做法是采用一個(gè)DC電流來模擬傳感器輸出并測(cè)量負(fù)載電壓。

　　為了方便電阻的測(cè)量，在CY8C21x34的模擬總線上增設(shè)了一個(gè)可編程電流DAC。該電流DAC可在兩個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行選擇和調(diào)節(jié)：0～20μA或0～400μA。如需讀出電阻，則只要把傳感器連接至一個(gè)與模擬總線相連的引腳并開啟電流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(fù)載電壓。可利用被配置為ADC的模擬模塊來讀出該電壓。對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行校準(zhǔn)的方法之一是犧牲一個(gè)引腳來連接一個(gè)外部基準(zhǔn)電阻器。首先測(cè)量基準(zhǔn)電阻，測(cè)得的電壓始終與電阻成正比;接著測(cè)量傳感器電阻，在已知測(cè)量電壓和基準(zhǔn)電阻器阻值的情況下，即可計(jì)算傳感器電阻：