利用具有I/O類比多工器的PSoC簡化感測器控制設計

Cypress公司的CY8C21×34可程式系統單晶片(PSoC)混合訊號陣列具有一個I/O類比多工器，由於每個引腳都可以被用作一個類比輸入，因此採用單個SoC便能夠輕鬆實現需要大量不同類型感測器的控制應用。本文將介紹在多種感測器控制應用中如何利用該元件來簡化設計。

工業控制應用常常需要許多類比輸入，即使是具有一個PWM輸出的最簡單的風扇控制器也有可能需要對數量眾多的溫度感測器進行監控。類比輸入是寶貴的資源，經常很快就會被消耗殆盡。在很多場合，設計工程師不得不採用一個更加昂貴的零件，從而導致一些多餘的閒置資源，或者必須增加外部多工器，以滿足對類比輸入訊號存取次數增加的需要。而且，感測器並不總是提供一個緩衝輸出電壓，它們有可能將訊號轉換成某些非電壓參數，如電阻或電容。在不少情況下，訊號調節的成本會超過控制器的成本。

在選擇控制器的時候，始終存在這樣一個問題，那就是設計工程師必須規定多少個類比輸入。對於一個只需要6個輸入的系統而言，8個輸入是否足夠？需求會不會繼續提高？一個特定的控制器系列能夠處理多少個類比輸入？如果我的設計需要升級至一個具有更多輸入的元件，那麼我的可選方案是什麼？這種選擇必須在竭力滿足項目的成本要求、並同時順應客戶和市場部門不斷變化的規格要求的情況下做出。一種簡單的解決方案便是使每個引腳都能夠成為一個類比輸入，而這在過去是做不到的，I/O類比多工器將其變為了現實。

圖1：類比多工器/系統連接。

I/O類比多工器是一種大型交叉開關，它允許將任何引腳連接至一個控制系統的類比陣列。就是這樣的一個多工器被內建在CY8C21x34可配置混合訊號陣列之中。該元件每個引腳均具有一個開關，當某個開關被選擇時，則將其所在的引腳與一根類比匯流排相連。該控制器系列提供了28個I/O引腳，每個引腳都有可能成為一個類比輸入。該匯流排還與一個類比陣列相連。類比陣列由4個可配置模組組成，當這些模組與數位資源組合在一起時，將形成複雜的訊號處理器。可能的類比功能包括10位元類比/數位轉換器(ADC)和比較器。

圖2：具有電流DAC的類比多工器。

感測器是一種換能器，用於把某種物理量變換成可進行電氣測量的參數。對於許多換能器來說，這種轉換的最終結果是電壓。例如，LM35溫度感測器就提供了一個與溫度成正比的輸出電壓。溫度的測量只需對輸出電壓進行數位化處理，採用適當的轉換公式(在本例中為：Temp=V_measured/10mV)即可把電壓轉換成溫度。

以一個需要在系統中測量16處溫度的控制應用為例，簡單的做法是在所需之處安放感測器並將其各自連接至一個引腳。類比陣列被配置為一個ADC並連接至類比匯流排。利用該拓樸結構，即可將每個感測器順序連接至類比匯流排並進行數位化處理。某些類型的感測器具有一個阻性輸出，此類感測器包括熱敏電阻、光電管、應力計和傳導單元。這些感測器的資訊讀出需要通過電阻測量來完成，通常的做法是採用一個DC電流來模擬感測器輸出並測量負載電壓。

為了方便電阻的測量，在CY8C21x34的類比匯流排上增設了一個可程式電流DAC。該電流DAC可在兩個範圍內進行選擇和調節：0∼20μA或0∼400μA。如需讀出電阻，則只要把感測器連接至一個與類比匯流排相連的引腳並開啟電流DAC即可，將會產生一個與電阻和電流的乘積相等的負載電壓。可利用被配置為ADC的類比模組來讀出該電壓。對該設計方案進行校準的方法之一是犧牲一個引腳來連接一個外部基準電阻器。首先測量基準電阻，測得的電壓始終與電阻成正比；接著測量感測器電阻，在已知測量電壓和基準電阻器阻值的情況下，即可計算感測器電阻：

現在，感測器電阻讀數的準確度僅受限於基準電阻器的準確度和ADC的解析度。任何增益誤差都不會被帶入計算之中。

然後，假設先前討論的控制應用在規格上有一個變化，即要求用熱敏電阻來代替LM35。所選擇的特定熱敏電阻具有10kW/25℃的標稱電阻，簡單的實現方法是把熱敏電阻佈設於所需的位置並將它們各自連接至一個引腳。將一個多餘的引腳連接至10kW基準電阻器，並設定電流DAC產生一個100μA的電流。透過將類比陣列配置為一個ADC，即可順序測量每個負載電壓並計算所有熱敏電阻的阻值，再利用合適的方程式來把這些電阻值轉換為溫度值。

圖3：具有放電電路的類比多工器。

有些類型的感測器具有容性輸出，其中包括加速計和壓力感測器。與產生DC負載電壓的阻性感測器不同，當採用DC電流來激勵時，容性感測器將產生一個斜坡電壓，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的類比匯流排上增設了一個放電開關。

當被選擇時，該開關將把類比匯流排放電至地電位。可採用多種可配置資源來控制其作業。如欲測量斜坡，則把類比模組配置成採樣比較器。比較器的輸出負責控制放電開關。該拓樸結構形成了一個弛張振盪器(relaxation oscillator)。當斜坡電壓上升至跳變點(trip point)時，比較器將關閉放電通路並重新把類比匯流排放電至地電位。然後，比較器釋放開關，電壓繼續上升。比較器輸出被饋送至配置了一個頻率計數器或周期定時器的數位部份。電容值可以從測量的數位訊號推導出來。

現在，假設一個需要測量壓力的控制應用。微加工技術的發展使得能夠利用固定在玻璃基板上的矽薄膜來製作廉價的壓力感測器。壓力的變化會使薄膜產生偏移，從而導致電容的改變。然而，熱膨脹也會引發電容的變化，使得這些感測器容易受到溫度的影響。相應的解決方案是在相同的基板上設置一個基準電容器，並測量兩個電容的比值。

在測量壓力時，將兩個容性輸出均與PSoC引腳相連。類比部份如今被配置為一個具有1.3V觸發電平的採樣比較器，並用於控制放電開關。電流源被設定為10μA。對於一個10pF的標稱電容，產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1,300ns的時間才能達到1.3V的跳變點。數位部份計算出的頻率為769kHz。測量頻率與測量電容成反比。對每個電容進行順序測量，並計算一個比值。這兩個數值之比將消除任何由於電流源或用於計算頻率的系統時脈中的不精確性所引發的誤差。

作者：Dave Van Ess

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