劉長龍，蘇燕辰

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

0 引 言

片上系統(tǒng)芯片PS081是德國acam公司專門為衡器應用設計的數(shù)字測量芯片，與傳統(tǒng)的電子衡器相比有著許多競爭優(yōu)勢，高精度、低功耗，創(chuàng)新的產(chǎn)品理念、環(huán)保產(chǎn)品內(nèi)涵和具有市場競爭力的價格優(yōu)勢[1]，因此PS081在太陽能衡器上的解決方案成為國內(nèi)衡器廠商的最優(yōu)選擇，為該產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品轉(zhuǎn)型帶來了一個很好的契機。

1 PS081高精度測量原理

如圖1所示，PS081應變測量原理是通過測量放電時間來間接體現(xiàn)的。放電時間是測量應變電阻通過一個放電電容Cload放電來獲得，正向變化和反向變化的應變電阻的放電時間都會被進行測量，因此兩個放電時間的比值則會反映應變電阻的變化信息。時間測量是通過高精度內(nèi)部時間單元完成，通過對電容充放電時間的測量得到電阻值，并且可以達到15 ps的測量準確度，通過平均甚至可以達到0.5ps的測量準確度。

PS081芯片是為稱重衡器所專門設計的超低功耗SOC（system on chip）片上系統(tǒng)方案。這個芯片內(nèi)部集成了24位的微處理器并且發(fā)揚了PICOSTRAIN測量原理的優(yōu)勢。因此整個系統(tǒng)包括傳感器本身的電流消耗，可以被減少到一個非常低的水平。PS081作為電池驅(qū)動衡器和太陽能驅(qū)動衡器的理想選擇，這個芯片的精度可以允許通過電池供電系統(tǒng)建立高精度OIML校準衡器；當然同樣也適用于基于金屬應變測量的扭矩測量以及其他力學測量應用。圖2所示為4個金屬應變傳感器組成的PICOSTRAIN半橋連接測量方式。另外該芯片還集成了LCD驅(qū)動，可直接驅(qū)動4*14，3*15段LCD，并帶有包含有強大的函數(shù)指令的3K ROM和2K可擦寫存儲EEPROM，4線串行SPI接口，內(nèi)部還帶有10 kHz晶振為系統(tǒng)芯片提供時鐘源[2]。

圖1 PS081測量原理

圖2 PS081半橋連接方式

2 PS081在太陽能衡器硬件部分

圖3 上電電路

如圖3所示，在完全黑暗的狀態(tài)下，所有的電容將會被放電，而U5為高阻抗狀態(tài)，U4的輸入電壓為零，這個時候PS081是沒有電壓供電的。如果將燈打開，那么太陽能電池板的電流將會給C17充電，然后電壓檢測部分供電。（R7，R14，Q1，U3）當在 C17 的電壓超過3.5V的時候，U3將會開啟，這時U5將會脫離高阻狀態(tài)而升到C17的電壓水平。U4的供電電壓為3.5V，那么將會整壓到2.5V輸出供給PS081，然后PS081將會開始工作。由于在VCC_R后面的所有電容都需要通過C17充電到電源電壓，那么由于C17要提供必須的電路，VCC_R的電壓將會下降。太陽能電池板對于如此高的電流脈沖是比較弱的。C17的電壓必須要保持大于2.55V的狀態(tài)，否則U4將不能夠調(diào)節(jié)出2.5V的電壓給PS081。

圖4 PS081外圍電路

通過這個電路在光線較差的情況下也可以獲得一個快速安全的啟動效果。本設計采用Sinonar公司的太陽能電池板，由8條無定形硅板組成，太陽能電池板必須要在最小光線條件下3μA的時候給出大于3.6V的電壓，否則將不能夠啟動電路[5]。

圖4中P1連接LCD-AD5287，外部晶振選用QC5TCT-G，部分管腳引出便于系統(tǒng)擴展。

3 軟件部分設計

太陽能人體秤的應用軟件具有基于帶有自動零點跟蹤的自動開啟功能。在睡眠關閉的模式下，秤會對傳感器以低精度進行持續(xù)的掃描。另外，傳感器的補償也會以正常精度進行測量。如果在掃描模式中，重量被檢測到，那么秤將會切換到正常測量模式。

在關閉休眠狀態(tài)下，掃描零點補償來糾正檢測到重量時秤重的重量值，如果電壓值正常，在上電部分被配置為最小電流，那么需要等待大概1min。之后，測量配置將會載入，初始的補償值將會被測量，然后在掃描模式下初始的補償值被記錄。接下來，如圖5所示，系統(tǒng)進入掃描模式，每過5min進行一次補償值獲取。如果在秤重后一段時間沒有重量即空載，則將會自動進入掃描模式。如圖6所示，在系統(tǒng)獲得測量補償值初始化后，進入測量模式[5]。本程序是在PS081Assemble軟件環(huán)境下編寫的[3]。當有重量的時候秤會自動開啟，還有中值濾波、零點補償、LCD顯示數(shù)字、自動開啟、自動關閉等程序功能。

4 結束語

PS081作為德國acam公司的最新一代單芯片方案，因其獨特的測量原理可以實現(xiàn)超低的電流消耗，應用該芯片可以建立非常強大的太陽能電池板驅(qū)動電子秤，當然同樣也適用基于金屬應變測量的扭矩測量以及其他力學測量應用。此芯片能夠很好的發(fā)揮PICOSTRAIN測量原理的優(yōu)勢，并為數(shù)字傳感器的發(fā)展掀開了新的篇章。本設計的軟件部分實現(xiàn)了太陽能秤的部分功能還有待進一步完善。

圖5 掃描模式流程圖

[1]陳剛.數(shù)字測量芯片PS081在太陽能衡器和高精度數(shù)字傳感器中的應用[J].應用分析，2010（10）：53-60.

[2]Acam-messelectronic，Inc.PS081 Single-chip Solution for Weight Scales[Z].2010.

[3]Acam-messelectronic，Inc.PS08 Assembler Software Help[Z].2007.

[4]孔明.基于PS08的無線傳輸?shù)奶柲芎馄飨到y(tǒng)[J].稱重知識，2011（2）：40-43.

[5]Acam-messelectronic，Inc.通過PS081進行太陽能廚房秤建立的指導[Z].2010：5-22.