MCU在家电设计中的应用

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作者：赛普拉斯半导体公司Ronak Desai

微控制器单元（MCU）被广泛应用在洗衣机、空调、微波炉、吸尘器、电冰箱等多种家用电器中。MCU可主要用于电机控制、模拟传感器测量、前面板键盘控制以及在LED/LCD上显示结果等。本文将重点讨论通过采用可编程片上系统（PSoC）器件，从而提供集成方法来实现上述系统功能的家电设计。

面向电机控制和TRIAC/ LED/ LCD驱动应用，家用电器行业采用了8/16/32位微控制器电路。微控制器可控制和管理电器的全部功能和特性。当用户按下“开始”按键时，输入信号从前面板键盘传到微控制器，接着MPU启动三相无刷直流（BLDC）电机或永磁同步电机（PMSM）。电机速度将根据前面板键盘中的用户输入实现变化和控制。

微控制器采用内部或外部串行EEPROM（基于I2C/SPI）存储旧数据，并使用RTC显示准确的时间信息。温度测量则可采用基于板上RTD、热敏电阻或热电偶的温度感应器件来实现。

微控制器采用一个外部ADC和多个放大器接收来自传感器、温度及电池等不同的模拟输入。其使用外部信号调节、比较器和门驱动器电路来驱动和控制三相BLDC/ PMSM电机。此外，微控制器还能通过IR接收器接收遥控输入（38 kHz的输入）。

需要采用外部缓冲驱动电路来驱动7段LED/LCD/图形显示器。通常情况下，具有背光源的7段LED/LCD/图形显示器可用于显示温度、电池输入、速度值和错误/警告消息。此外，微控制器还可连接I2C/ SPI等板上外设，以及UART/USB通信等外部外设。

洗衣机中的MCU

洗衣机中的MCU包含以下模块：



图1：采用MCU的洗衣机方框图



图2：采用集成SoC的洗衣机方框图

在洗衣机中，MCU通过一个外部ADC接收不同的模拟输入（如水位传感器、水硬度传感器、湿度传感器、开门传感器、洗衣负载传感器、光学传感器、洗涤剂浓度传感器、负载失衡传感器和容量传感器等）。通过板上RTD实现温度感应，并采用外部EEPROM存储数据，如定制洗涤程序、存储器备份、儿童锁以及洗衣偏好等。微控制器还可支持洗衣机自动调节水量并关机。

此外，MCU还可控制自我诊断功能，包括供水故障、旋转故障、排水故障、儿童锁、防溢出及开门等。时钟和定时器可用于实现休眠模式并在工作中添加延迟（延迟启动条件）。蜂鸣器（PWM型）不但能够生成不同频率的音调，还能在过载情况下提供警报音。洗涤完毕后，微控制器还能自动关闭机器，从而节省电力。

空调中的MCU

空调中的MCU包含以下模块：



图3：采用MCU的空调方框图



图4：采用集成SoC的空调方框图

在空调中，MCU通过一个外部ADC接收不同的模拟输入（传感器输入）。通过板上RTD和热敏电阻实现温度感应，并采用外部EEPROM存储数据（设置温度值）。MCU通过使用PWM和比较器控制外部BLDC电机和风扇。此外，MCU还可接收用于净化的各种滤波器输入。

用户可设置所需的温度，微控制器则根据所设温度值控制电机和压缩机。此外，微控制器采用继电器驱动器和TRIAC驱动电路关闭电力线AC到系统的输入，使用时钟和定时器设置休眠模式、自动断开功能以及24小时开关定时器功能，并利用蜂鸣器（PWM型）生成不同频率的音调。此外，微控制器还可控制自我诊断特性，并包含自动重启（在电源故障时会自动让空调恢复到此前的设置）和过流保护等功能。

微波炉中的MCU

微波炉中的MCU包含以下模块：



图5：采用MCU的微波炉方框图



图6：采用SoC的微波炉方框图

在微波炉中，微控制器通过一个外部ADC接收模拟输入（重量传感器、湿度传感器、容量传感器、CT电流传感器）。通过板上RTD和热敏电阻实现温度感应，并采用外部EEPROM存储数据，如儿童锁和可重复编程的烹饪数据等。

MCU可控制自我诊断功能，并包含自动重启（在电源故障时会自动让微波炉恢复到此前的设置）、自动除臭、自动保护及防溢出等功能。

微控制器使用时钟和定时器实现休眠模式并在工作中添加延迟，采用蜂鸣器（PWM型）生成不同频率的音调。除此之外，其还能在工作完成时自动关闭微波炉，或在未使用/（用户）未设置时进入休眠模式，从而节省整体功耗。

吸尘器中的MCU

吸尘器中的MCU包含以下模块：



图7：采用MCU的吸尘器方框图



图8：采用集成SoC的吸尘器方框图

在吸尘器中，MCU采用PMW和比较器驱动和控制三相电机（BLDC），并通过一个外部ADC接收不同的模拟输入（加速计、CT电流传感器和吸力传感器）。通过板上RTD和热敏电阻实现温度感应，并采用外部EEPROM存储数据。此外，微控制器还可接收不同的滤波器输入（用于对空气滤波器进行监控）。

在吸尘器中，微控制器使用时钟和定时器实现休眠模式并在工作中添加延迟，采用蜂鸣器（PWM型）生成不同频率的音调。此外，微控制器还利用继电器驱动器和TRIAC驱动电路来切换电力线AC输入的开/关。

电冰箱中的MCU

电冰箱中的MCU包含以下模块：



图9：采用MCU的电冰箱方框图



图10：采用集成SoC的电冰箱方框图

在电冰箱中，微控制器通过使用PWM和比较器来驱动和控制三相电机（BLDC/ PMSM），从而根据用户输入控制风扇。此外，微控制器通过外部ADC接收不同的模拟输入（水位传感器、湿度传感器、冷却传感器、变温室传感器、开门传感器、CT电流传感器等）。它还接收霜冻/湿度检测、水/冰分配器等其它输入。通过内外部温度传感器（RTD和热敏电阻型）实现温度感应，并采用外部EEPROM存储旧数据，如定制程序、存储器备份、儿童锁和偏好等。MCU还可支持电冰箱自动适应断电情况。

用户可设置电冰箱内所需的温度，微控制器则根据所设温度控制电机和压缩机。此外，微控制器还能通过有效改变压缩机的速度来控制并调节热流。自我诊断功能包括供水故障、冰制冷故障、具有存储器备份的自动重启、儿童锁、防病毒保护装置、自动平衡系统、防溢出和开门检测等。

微控制器使用时钟和定时器来设置定时器和日历，实现休眠模式，并在工作中添加延迟。它用蜂鸣器（PWM型）生成不同频率的音调，并在长时间开门情况下发出警报。

在关门情况下微控制器会自动关闭某些功能，从而节省整体功耗。即使在断电（休眠模式）情况下，它通过供应冷空气来延缓温度的上升。用户可将电冰箱设置为切断状态（holiday mode），从而让MCU以最低能耗模式（休眠模式）运行。MCU可为电冰箱提供不同的内外部接口，包括通过USB、UART等提供的FM无线电、MP3播放机、均衡器、移动充电器等接口。

在家用电器解决方案中实现PSoC

可编程SoC器件将具有可编程逻辑以及高性能模数转换功能的微控制器与常用的固定功能外设完美结合，让开发人员能够在MCU中集成更多组件和功能，从而减少组件数量、减小PCB面积、降低系统成本并提高电源效率。此外，SoC器件还包含集成闪存、SRAM和EEPROM。

各种数字和模拟组件可用于支持多种电器功能。内部RTC可取代外部时钟/振荡器电路。同样地，USB和安全数字（SD）卡等集成接口可让SoC无需采用外部控制器也能通信。集成DAC、ADC、PWM和比较器资源对系统进行了进一步集成，仅使用单个SoC就能提供电器所需的各种功能。

无传感器式电机控制

无传感器式电机控制方法不需要霍尔传感器，它采用反电动势零交点检测技术来控制电机运动。当电机旋转时，每个线圈都会产生一个电压，被称为反电动势（Back EMF），这个电压与线圈供电的电源电压相反，反电动势极性也和用于激励线圈的电压相反，同时其大小与电机转速成正比。



图11：采用集成SoC的无传感器式电机控制

在图11中，三相反电动势信号端接，DC总线扩展并路由到SoC。SoC使用MUX将端接输入切换到比较器，并将其与DC总线电压进行比较。级联数字逻辑将滤出PWM信号，从而获得真正的零交点信号。微控制器将根据此信息决定整流。

可选的电流控制将应用于PWM输出控制，以调节电机的电流。内环路基于比较器，反馈总线电流将与12位DAC提供的参考电流值进行比较。改变DAC输出将更改输出电流值。

基于传感器的（霍尔效应）电机控制

基于传感器的无刷电机控制采用霍尔传感器输入来检测转子位置，从而控制电机运动。它将霍尔传感器输入提供给微控制器，并以闭环系统方式工作。这对于自动速度锁定系统非常有利。

设计挑战

选择具有更高CPU内核、更快ADC（>= 500Ksps @ 10-bit）的高性能智能型微控制器，并内置闪存、SRAM存储器、EEPROM以及模拟和数字外设，这对于实现高性能模拟测量、三相电机控制、LCD驱动、低功耗工作、RTC以及不同外部协议接口等关键功能而言至关重要。此外，许多SoC器件还支持电容式感应，无需使用机械部件即可实现高稳健性按键、滑条以及接近感应型界面。微控制器可控制LED与电容式感应，从而显著简化前面板设计。

实现电压波动保护是系统设计人员面临的一大设计挑战。

实现防水功能和耐水特性是系统设计人员面临的一大设计挑战。

实现通用电源和通用系统是系统设计人员面临的一大设计挑战。

选择具有低Ron和低门电容的功率MOSFET是驱动三相汽车电机的关键。

采用高功率MOSFET驱动电路进行电路板设计以及充分满足电源的较高板上电流要求，是电路板设计人员面临的一大设计挑战。

对于涉及机电构造的电器而言，为电器应用设计出低成本紧凑型机电解决方案是系统设计人员面临的一大设计挑战。

让上述机电设计获得EMI/EMC标准认证是系统设计人员面临的一大设计挑战。

家用电器应用需要故障检测和恢复机制。家用电器应用同时也需要具有电池保护、过流保护、过热保护以及启动故障条件等功能的电源设计。在家用电器应用中实现自我诊断功能是系统设计人员面临的一大设计挑战。

由于上述解决方案需要确保全天候持续工作，因此组件选择和可靠性显得至关重要，这也是系统设计人员面临的一大设计挑战。

具有一次性可编程(OTP)特性的微控制器能避免固件遭到竞争对手和黑客的恶意反向工程破坏。

系统限制以及采用PSoC可改善之处

电容式感应技术采用触摸键盘取代机械按键。这不仅可减少由于机械按键造成的故障，还能提高产品的可靠性。许多SoC提供可随时投产的库和设计工具，能自动调校按键和滑条的敏感度，从而无需在设计周期中进行手工调校。此外，家用电器解决方案采用的电容式感应界面也需要具备防水功能。因为它可支持前键盘的接近感应功能，也就是说当手指靠近键盘时就能激活前键盘。

前面板实现触摸屏设计，取代一般的LCD显示屏和键盘，从而可提高用户界面质量和灵活性。

iPod/iPhone等外部设备：SoC能通过UART和USB协议与iPod/iPhone实现通信。用户能在家用电器上控制iPod/iPhone设备，并对其进行充电。

由于其可编程特性，SoC器件必须支持家用电器的代码安全性，可能还要实现蓝牙等个人局域网技术，这样用户就能创建自动化家用电器网络。

微波炉等家用电器的语音指导功能可帮助用户一步步完成烹饪工作。如欲采用自动调校的菜单，用户需按下一次按键，语音将一步步介绍操作步骤。而这种功能也能通过SoC实现。

故障分析与返修材料：电路板上内外部接口数量的增多将会加大破坏者或黑客给系统制造麻烦的机会。单芯片解决方案则将解决嵌入式系统所面临的这一最大限制。

我们目前采用基于微控制器的架构来实现家用电器解决方案。今天的可编程片上系统（PSoC）架构完美结合了微控制器和ASIC的功能，不仅可提高家用电器的易用性，同时还能降低产品研发与生产的成本。