CY8C22545的触摸按键电磁炉设计

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　　1.引言
　　电容感应方式的触摸按键有很多优点，由于不需要机械结构，相比传统的机械按键和薄膜按键，触摸式按键有着不可比拟的优势，并由此带来了时尚美观的外观设计。目前已经广泛应用于各种消费类电子产品。越来越多的家电产品也开始采用触摸按键，电磁炉是其中一个典型的应用。
　　Cypress的触摸技术Capsense是基于PSoC产品上的一种应用。PSoC(可编程片上系统)包含有8位微处理器核和数字与模拟混合信号阵列的可编程片上系统。不仅具有MCU的可编程序能力，还包含了部分可编程逻辑运算功能，同时也提供了可编程模拟阵列，集三种可编程能力与一体。在大多数家电的触摸应用中，一般包括触摸感应处理和系统控制处理。PSoC可提供该类应用中所需要的资源，并简化了系统。
　　2.电磁炉控制原理及结构
　　电磁炉采用磁场感应电流加热原理。它利用交变电流通过线圈产生交变磁场，交变磁场在铁质锅具的底部产生感应电流(又称涡流)，涡流使锅具铁分子高速无规则运动分子互相碰撞摩擦而产生热能。图1是典型的电磁炉系统框图。
　　电磁炉的主回路为一个LC谐振电路，谐振频率在20-30KHz左右。谐振回路由市电经过整流滤波后产生的310V直流电压供电。主回路中的IGbT工作在低开关损耗的零电压开关方式(ZVS)，使线盘与谐振电容产生谐振电压，从而实现电磁的转换。为了实现IGbT零电压开关的控制，电路中需要对IGbT上的电压进行检测，或称作同步检测，只有在IGbT上的电压接近零电压时才允许IGbT导通。电磁炉的功率调整是通过对IGbT功率管进行PWM占空比的调整来实现的，PWM占空比增大时，IGbT导通时间增长，为线盘提供的电流增大，相应增大电磁炉的功率。振荡器电路就是用于产生PWM信号以驱动IGbT，PWM占空比由谐振电路和主控制器提供的参考电压等共同决定的。通常，主控制器是通过输出PWM占空比信号，并经过一个RC滤波器来产生参考电压。电流负反馈控制是通过检测市电输入电流实现对IGbT电流的控制。电路对电流采样信号进行处理，进而减少IGbT的导通时间而减少IGbT平均电流。其他电路还包括电网电压检测，IGbT及锅面温度检测，浪涌保护电路等一些外围接口电路。主控制器通过上述采样和控制电路可进行恒功率控制，恒温控制，过欠压保护，过温保护等一系列控制。
　　





　　图1. 电磁炉系统框图
　　由于电磁炉控制面板和主电路通常放置在电磁炉中的不同位置，为了设计和维修的方便性，大多数的设计都采用两个PCb板的方式 – 功率板和用户接口面板。根据主控MCU放置的位置，大多可以分成以下三种结构。
　　1)主控MCU放置在功率板上，用户接口面板为简单的按键和LED显示。系统中只有一个MCU，成本较低，两个PCb板之间通过较多的线束进行连接。
　　2)主控MCU放置在功率板上，用户接口面板用另外一个MCU进行控制。两个PCb板之间通过较少的线束连接。通常用于较高端的设计中，面板可以进行较复杂的操作。
　　3)主控MCU放置在用户接口面板上，功率板由几个运放及一些离散器件构成。PCb之间的线束适中，系统成本较低，面板也可进行较复杂的操作。多数设计采用这种方式。
　　3.触摸按键电磁炉控制器
　　由于消费者在选择电磁炉时更多注意力是集中在炉具的外观上，触摸按键类的产品因此也越来越多的引入到电磁炉的设计中。在初期的设计中，多数采用分立器件设计触摸按键。虽然成本较低，但分立器件调试非常困难，不适于批量生产，因此多数新的设计采用专用触摸按键控制器。触摸按键专用芯片的引入增加了系统的成本和设计的复杂度，并改变了原有的系统结构。PSoC可集成触摸控制及主控功能为一体，可很好的将原有的非触摸式电磁炉设计升级到触摸式电磁炉。
　　3.1 CY8C22545介绍
　　CY8C22x45系列产品是Cypress针对触摸应用及系统控制而专门设计的PSoC器件。图2是CY8C22x45的系统框图，它与普通的PSoC产品有相同的架构，包括有8个数字模块和6个简化型的模拟模块。这些模块可根据客户具体需要配置成为不同的外设，例如PWM发生器，定时器，ADC，比较器等。CY8C22x45为用户提供了最多可到38个通用I/O, 16Kbyte闪存及1Kbyte的SRAM以及其它一些片上资源，例如10bit SAR ADC，电压参考源(VDAC)，I2C通信模块， 硬件实时时钟(RTC)。该系列器件专门为触摸设计提供了相应的片上资源，并优化了内部扫描电路。在不占用片上其他数字资源的情况下，可以实现双通道的信号同时扫描，从而缩短所有按键总的扫描时间。
　　CY8C22x45可支持Cypress公司的CSA 和CSD 的Capsense算法，并可支持各种不同的触摸设计，例如按键，线型滑条，圆形滑条，ITO触摸屏等等。通过Cypress提供的图形化设计软件，用户可以方便的将触摸检测和系统控制功
　　能完美的集成在同一个PSoC控制器上来完成。
　　




　　图2. CY8C22x45系统框图
                          
                       
                          
                               
　　3.2 触摸按键设计
　　CY8C22545片上包含有优化的触摸控制逻辑，图3是该器件用于一个通道的CSD触摸感应控制的内部硬件框图。与以往的Cypress触摸产品比较，CY8C22545产品有以下一些特点：
　　1)CY8C22545采用左右两条模拟总线的结构，所有的IO口都可通过模拟开关分别接到左右两边的模拟总线上。所有的IO口都可作为触摸传感器的输入端。另外，CY8C22545内部设计了两套扫描控制逻辑，可支持两个触摸传感器同时进行扫描的操作，这样可以减少总的按键扫描时间。在微波炉等多按键(或滑条)的设计中，这种方式有着独到的优势。
　　2)该器件内部有两个电流源(IDAC)，每个电流源有256级调节范围，可输出0"640uA电流，基本可替代各种Capsense精度配置时所采用的外部放电电阻，因此只需要一个外接的充放电电容即可完成感应电容的检测。另外，采用内部IDAC替代外部放电电阻这种方法在做Capsense参数调整时非常方便，无需更换外部电阻即可实现参数的优化配置。当然，客户仍然可以选择使用外部电阻作为Capsense的放电电阻。
　　3)扫描时钟源，计数器和定时器都用专用的资源来支持，不占用任何数字模块资源，因此可以有更多的数字资源用于系统控制。
　　4)另外，由于电路上的优化，每个按键扫描完成后才产生一次中断，因此大大的减少CPU干预时间，使得CPU有更多时间处理其它任务。
　　




　　图3. CSD触摸感应控制逻辑框图
　　3.3 系统设计
　　本设计采用目前市面上比较流行的电磁炉结构，即功率板由一片LM339及一些分立器件构成，而用户接口板由MCU及LED等分立器件构成。功率板实现了包括同步检测，电流负反馈控制，振荡电路，浪涌保护等控制，本文就不再详述。用户接口板实现了触摸感应控制，LED数码管和LED灯扫描驱动，用户菜单管理，IGbT及锅具温度检测，过温保护，供电电源过欠压保护，电磁炉恒功率控制，恒温控制，风扇、蜂鸣器等外设控制以及其他一些系统主控功能。图4是用户接口板的硬件框图。
　　




　　图4. 用户接口控制板框图
　　CY8C22545采用44 pin 的TQFP封装，最多有38个I/O，可支持到37个触摸传感器的输入，因此可满足大多数复杂的用户接口板设计。如果IO数量不能满足需求，用户可以通过SPI接口与外部一片74LS164完成IO口的扩展用于LED等外围器件的驱动。
　　在本设计中，CY8C22545对外部12个触摸感应按键进行检测，SAR10 ADC对各个温度传感器及AC电源的电压和电流进行采样，并使用了三个数字模块分别配置成三个8bit精度的PWM发生器，用于驱动蜂鸣器，控制风扇转速以及产生功率控制用的PWM参考信号。另外，用一个数字模块配置为8bit的定时器，用于固件的时基。如果需要IO扩展，则可用一个数字模块配置为SPI接口以驱动外部串并转换逻辑。
　　恒功率控制和恒温控制是电磁炉主要的两种工作模式。在本系统中分别采用了两个PID闭环控制算法实现恒功率控制和恒温控制。由于这两种系统具有不同的时间参数，需要分别调整设定系统PID参数。
　　无锅检测是电磁炉中一个重要的技术，它包含放置检测和移开检测。放置检测采用脉冲方式。在电磁炉正常工作之前，CY8C22545使主谐振电路打开一个很小的时间，通过计算谐振过零点个数检测谐振电路的振荡次数。当没有锅具时，主谐振电路处于欠阻尼状态，谐振过零点检测端有较多的脉冲产生。有锅具时，主谐振电路处于阻尼状态，此时谐振过零点检测端产生的脉冲较少。CY8C22545能够通过检测脉冲的数量决定是否有锅具存在。移开检测采用了电流检测的方法。当电磁炉正常工作时，工作电流会稳定在一个正常范围内。如果移开锅具，系统的电流会急剧下降到一个较小的范围。CY8C22545可以通过检测电流的急剧下降，判定锅具移开。另外，在CY8C22545输出一个固定占空比PWM的条件下，系统的工作电流会维持在一个特定的范围。CY8C22545也可以通过检测当前电流是否符合当前PWM的占空比来判断锅具是否移开。
　　4.结语
　　采用PSoC CY8C22545的触摸按键电磁炉设计，利用其模拟、数字和触摸感应专用逻辑使整个系统只用了一个PSoC芯片便实现了触摸按键电磁炉的控制功能。结构非常简洁明了，不需要太多的外围元件。在触摸感应的参数调整上非常灵活方便，为客户的设计和生产节省许多调试时间。