將家用電器主要功能集成到可編程SoC

　　大型家電通常利用一些集成電路(IC)實(shí)現(xiàn)不同的功能，包括用戶界面(UI)、感應(yīng)和過程控制等。美觀的用戶界面是烤箱、洗衣機(jī)、冰箱等家用電器的一個(gè)重要區(qū)分特性。電容式觸摸感應(yīng)是家用電器用戶界面的常用功能，因?yàn)樗鼈兎浅７€(wěn)健可靠，而且其“外觀和手感”是機(jī)械按鍵無可匹敵的。除了觸摸感應(yīng)功能，用戶界面還提供聲音和視覺反饋。大型家電也需要額外集成電路，用于感應(yīng)/測(cè)量物理量，完成過程和功能選擇，以及驅(qū)動(dòng)最終控制元件。本文介紹了另一種將眾多家用電器功能集成到一個(gè)可編程片上系統(tǒng)(PSoC)控制器的方法，這種方法非常靈活、成本低，能夠讓家用電器擁有大量差異化的特性。

　　圖 1.可編程片上系統(tǒng)

　　將復(fù)雜系統(tǒng)(如大型家電)的眾多功能集成到單一集成電路之中，需要采用不同的設(shè)計(jì)方法。具體而言，可編程片上系統(tǒng)控制器擁有模擬和數(shù)字式外設(shè)，它們通過高度可配置的信號(hào)矩陣和數(shù)據(jù)總線網(wǎng)格相連接，從而支持創(chuàng)建定制設(shè)計(jì)。圖2所示為集成了一臺(tái)家電眾多功能的PSoC的方框圖。

　　圖 2.基于PSoC的家電解決方案的方框圖

　　用戶界面--觸摸感應(yīng)

　　用戶界面是可以集成到可編程片上系統(tǒng)控制器的最重要功能之一。電容式觸摸傳感器外觀美麗、易于使用，與機(jī)械式傳感器、按鍵、控制旋鈕相比，使用壽命更長(zhǎng)。但是，家電對(duì)前面板設(shè)計(jì)的要求非常嚴(yán)格：

　　· 覆蓋層(PCB上的電介質(zhì)材料)必須比較厚，一般超過5毫米。

　　· 傳感器需要拒絕電器產(chǎn)生的電氣噪音，以避免誤判觸摸。

　　為了滿足這些要求，電容式傳感器需要具有高信噪比(SNR)。此外，對(duì)于需要用到液體或者在被液體環(huán)繞的家用電器而言，其觸摸板還必須防水。這是因?yàn)楦采w層即使存在水滴或積水也不能引起誤判觸摸。

　　此外，機(jī)械按鍵和旋鈕提供觸覺反饋，這樣可方便用戶了解是否已正確按下按鍵或者旋鈕已經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)了多少。具有觸摸感應(yīng)功能的電器可以設(shè)置觸覺反饋，還可使用小電機(jī)，形成振動(dòng)，以響應(yīng)觸摸。然而，這種觸覺反饋對(duì)大型家電而言是不切實(shí)際的。因此，設(shè)計(jì)基于電容式觸摸的用戶界面時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該確保，設(shè)計(jì)中使用的電容式傳感器能夠提供充分的視覺和聽覺反饋。請(qǐng)考慮下面的徑向滑條示例：

　　圖 3.徑向滑條示例

　　徑向滑條是一種旋轉(zhuǎn)控制裝置---類似于機(jī)械旋鈕---通常用于控制連續(xù)變化的量，如烤箱的加熱水平(溫度)。徑向滑條可以檢測(cè)到手指的運(yùn)動(dòng)，并且可將旋轉(zhuǎn)度讀取為所需的輸入值。PCB中的滑條布局實(shí)際由單獨(dú)的多個(gè)傳感器組成;圖3中，該滑條由7個(gè)傳感器組成。所有傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)用于計(jì)算手指在滑條上的位置。在上述例子中，滑條周圍放置的一組LED負(fù)責(zé)提供視覺反饋。這些LED只能通過控制器來轉(zhuǎn)動(dòng)，而且轉(zhuǎn)動(dòng)之后，即可追蹤到用戶的手指位置。此外，聽覺反饋由壓電揚(yáng)聲器提供，這個(gè)揚(yáng)聲器由控制器上集成的PWM驅(qū)動(dòng)。

　　PCB的其它元件(如屏蔽電極)可用于向前面板提供防水性。電容式感應(yīng)技術(shù)還可以用于添加其它的差異化特性，譬如接近感應(yīng)，從而讓用戶界面更加直觀。通過接近感應(yīng)，前面板可檢測(cè)到用戶手部的存在，因?yàn)殡S著手的接近，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開面板。多個(gè)接近傳感器同樣可以完成姿勢(shì)檢測(cè)。如欲了解有關(guān)在可編程片上系統(tǒng)IC中使用電容感應(yīng)技術(shù)的更多詳情，敬請(qǐng)參見PSoC 4 CapSense設(shè)計(jì)指南。

　　用戶界面--顯示器

　　用戶界面中通常使用段式LCD和LED顯示字母數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。段式LCD成本和功耗較低，可直接由系統(tǒng)控制器驅(qū)動(dòng)。段式LED的可視角度非常好，同LCD相比，不需要背光。

　　段式LED還可以進(jìn)行多路復(fù)用，從而減少所需的引腳數(shù)量。一般而言，這種多路復(fù)用是在固件中完成的?；诠碳腖ED驅(qū)動(dòng)需要消耗寶貴的CPU周期，顯示器刷新可能無法做到均勻或可靠，這具體取決于固件。實(shí)現(xiàn)定制LED多路復(fù)用邏輯的更好方法是：在可編程片上系統(tǒng)控制器之中采用可編程數(shù)字模塊。可編程數(shù)字模塊創(chuàng)建的電路可獨(dú)立于CPU工作，類似于外部LED驅(qū)動(dòng)器。圖4顯示了采用可編程邏輯模塊實(shí)現(xiàn)的定制LED驅(qū)動(dòng)器邏輯的原理圖。請(qǐng)注意，此設(shè)計(jì)中只需要5個(gè)引腳即可驅(qū)動(dòng)20個(gè)LED。

　　圖 4.采用可編程數(shù)字模塊的定制LED驅(qū)動(dòng)器

　　其它集成功能

　　大型家電包含多個(gè)模擬傳感器，這些傳感器可用于測(cè)量溫度、液位等量。減少外部信號(hào)調(diào)理電路數(shù)量的一種有效方式是利用控制器中的可編程模擬模塊。圖5中的原理圖顯示了集成了溫度補(bǔ)償功能的負(fù)載測(cè)量電路。

　　圖 5.模擬傳感器界面

　　可編程模擬模塊和數(shù)字模塊還可以簡(jiǎn)化家電中的最終控制元件，譬如加熱線圈或電機(jī)。通過詳細(xì)計(jì)劃的精心設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員可以將多個(gè)功能集成到單個(gè)可編程片上系統(tǒng)中，從而對(duì)家電產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化。這樣做既可以降低BOM成本，提高靈活性(即，多個(gè)系列的大型家電均可使用同一設(shè)備，只需要對(duì)固件進(jìn)行稍許修改即可)，而且還提供了差異化的市場(chǎng)營銷特性。