浮思特 | MCU 和 PSoC 如何使家电更加智能

在洗衣机、空调、微波炉、吸尘器和冰箱等许多家用电器中，微控制器(MCU)被用于电机控制、模拟传感器测量、前面板按键控制以及LED/LCD显示。

家电行业使用基于8位、16位和32位微控制器的电路来实现电机控制以及TRIAC(三端双向可控硅)/LED/LCD驱动应用。MCU控制并管理着电器的所有功能和特性。当用户按下启动按钮时，输入信号会从前端面板键盘传输到微控制器，然后微处理器(MPU)会启动三相无刷直流(BLDC)电机/永磁同步电机(PMSM)。电机的速度将根据用户从前端面板键盘输入的指令进行变化和控制。

MCU使用内部或外部串行EEPROM(基于I2C/SPI接口)来存储旧数据。它使用实时时钟(RTC)来显示准确的时间信息。温度测量通过板载的电阻温度检测器(RTD)、热敏电阻或热电偶等温度传感设备来完成。MCU使用外部模数转换器(ADC)和放大器来接收来自传感器、温度和电池的模拟输入。它使用外部信号调理电路、比较器和栅极驱动电路来驱动和控制三相

BLDC/PMSM电机。微控制器还可以通过红外接收器(工作在38kHz)接收遥控输入。驱动7段LED/LCD/图形显示器需要外部缓冲驱动电路。通常使用带背光的7段LED/LCD/图形显示器来显示温度、电池输入、速度值以及错误/警告信息。微控制器还与板载外设(如I2C/SPI)以及外部外设(如UART/USB通信)进行接口。

洗衣机中的MCU

洗衣机中的MCU包含以下模块：

在洗衣机中，MCU通过外部ADC接收模拟输入(水位传感器、水质硬度传感器、湿度传感器、门开传感器、衣物负载传感器、光学传感器、洗涤剂浓度传感器、负载不平衡传感器和容量传感器)。温度感应由板载RTD完成，并使用外部EEPROM存储数据，例如自定义洗涤程序、记忆备份、童锁和收藏设置。微控制器使洗衣机能够自动调节水量并切断电源。

MCU还控制自诊断功能，包括供水故障、甩干故障、排水故障、童锁、溢水保护和门盖打开检测。时钟和定时器用于实现睡眠模式以及在操作中添加延迟(延迟启动条件)。蜂鸣器(基于PWM)可产生不同频率的音调，并在过载情况下提供警报音。MCU还会在洗涤完成后自动关闭机器，从而节省电力。

空调中的MCU

空调中的MCU包含以下模块：

在空调中，MCU通过外部ADC接收模拟输入(传感器输入)。温度感应由板载RTD和热敏电阻完成，并使用外部EEPROM存储数据(设定温度值)。MCU使用PWM和比较器控制外部BLDC电机和风扇。它接收各种过滤器输入，用于空气净化。

MCU根据用户设定的温度控制电机和压缩机。MCU还使用继电器驱动器和TRIAC驱动电路来切断系统的交流电源输入。它使用时钟和定时器来设置睡眠模式、自动关机功能和24小时开/关定时器功能。它使用基于PWM的蜂鸣器产生各种频率的音调。MCU还控制自诊断功能，包括自动重启和过流保护。在断电期间，它会自动将空调恢复到之前的设置。

微波炉中的MCU

微波炉中的MCU包含以下模块：

在微波炉中，MCU通过外部ADC接收来自重量传感器、湿度传感器、容量传感器、CT(电流互感器)电流传感器的模拟输入。温度感应由板载RTD和热敏电阻完成，并使用外部EEPROM存储数据，例如童锁和可重新编程的烹饪数据。

MCU控制自诊断功能，包括自动重启、自动除味、自动保护和溢水保护。在断电期间，它会自动将微波炉恢复到之前的设置。

MCU使用时钟和定时器来实现睡眠模式并在操作中添加延迟。它使用基于PWM的蜂鸣器产生不同频率的音调。它还会在操作完成时自动关闭微波炉，或在未使用/未设置时(由用户)进入睡眠模式，从而节省整体功耗。

冰箱中的MCU

冰箱中的MCU包含以下模块：

在冰箱中，MCU使用PWM和比较器驱动和控制三相电机(BLDC/PMSM)，以根据用户输入控制风扇。它通过外部ADC接收来自水位传感器、湿度传感器、制冷传感器、冷藏区选择传感器、门开传感器和CT电流传感器的模拟输入。它还接收其他输入，如霜冻/湿气检测和水/冰分配器。温度感应由内部和外部温度传感器(基于RTD和热敏电阻)完成，并使用外部EEPROM存储旧数据，例如自定义程序、记忆备份、童锁和收藏设置。MCU使冰箱能够自动适应断电情况。

MCU根据用户设定的期望温度值控制电机和压缩机。它还通过有效改变压缩机速度来控制和调节热流。自诊断功能包括供水故障、制冷故障、带记忆备份的自动重启、童锁、防病毒保护器、自动平衡系统、溢水保护和门开检测。

MCU使用时钟和定时器来设置定时器和日历、实现睡眠模式并在操作中添加延迟。它使用基于PWM的蜂鸣器产生不同频率的音调，并在门打开时间超过指定时长时发出警报。

当门关闭时，MCU会自动关闭某些功能，从而节省整体功耗。即使在断电(睡眠模式)时，它也能通过供应冷气来延迟温度上升。用户可以将冰箱设置为假日模式，这样MCU(在睡眠模式下)以最低能耗模式运行。MCU为冰箱提供不同的内部和外部接口，包括FM收音机、MP3播放器、均衡器、通过USB、UART等的手机充电器。

在家电中使用基于MCU的可编程硬件SoC

目前的家电都是使用基于MCU的架构实现的。当今的可编程片上系统(PSoC)架构结合了MCU和ASIC(专用集成电路)的能力，既提高了家电的易用性，又降低了产品开发和制造成本。

可编程SoC器件在传统MCU的软件可编程性基础上进行了补充和扩展，它集成了一个MCU、硬件可编程逻辑、高性能模数转换以及常用的固定功能外设。这使得开发人员能够将更多功能和组件集成到MCU中，从而减少元件数量、缩小PCB(印刷电路板)尺寸、降低系统成本并提高能效。SoC器件还集成了闪存(Flash)、静态随机存取存储器(SRAM)和EEPROM。

多种数字和模拟组件可用于支持各种家电功能。当内部集成RTC时，就不再需要外部时钟/振荡器电路。类似地，集成接口(如USB和SecureDigital(SD)卡接口)允许SoC无需外部控制器即可进行通信。集成的DAC(数模转换器)、ADC、PWM和比较器资源进一步整合了系统，使得单个SoC就能提供家电所需的功能。

有传感器与无传感器电机控制

无传感器电机控制方法不需要霍尔传感器;相反，它使用反电动势(BackEMF)过零检测技术来控制电机运动。当电机旋转时，每个绕组都会产生一个电压(反电动势)，该电压与供给绕组的电源电压方向相反。反电动势的极性与用于绕组激磁的电压方向相反，并且与电机转速成正比。

在图11中，来自三相的反电动势信号被终止，直流母线电压经过缩放并路由到可编程SoC。SoC将使用多路复用器(MUX)将终止输入切换到比较器，然后将其与直流母线电压进行比较。级联数字逻辑将滤除PWM信号以获得真实的过零信号。MCU将根据此信息决定换相。

可选的电流控制将应用于PWM输出控制，以调节电机电流。这个内环基于比较器;反馈总线电流将与由12位DAC提供的参考电流值进行比较。改变DAC输出将修改输出电流值。相比之下，基于传感器的无刷电机控制使用霍尔传感器输入来检测转子位置，从而控制电机运动。它向MCU提供霍尔传感器输入，并作为一个闭环系统工作。

基于触控的家电设计

在电容传感技术取代机械按钮、采用基于触摸的键盘的应用中，PSoC也具有优势。这减少了因机械按钮导致的故障，并提供了更好的产品可靠性。

许多SoC提供生产就绪的库和设计工具，可自动调整按钮和滑块的灵敏度，从而在设计周期中省去手动调整。在家电解决方案中，基于电容的接口还需要防水。它们支持前面板的接近感应功能;当用户将手靠近前面板时，前面板将被激活。

在前端面板上实现基于触摸屏的设计(而非LCD显示器和键盘)将提供更好的用户界面和灵活性。

在iPod/iPhone等外部设备中，SoC可以通过UART和USB协议与iPod/iPhone通信。用户可以控制iPod/iPhone设备并在家电中为其充电。

由于其软件和硬件可编程的特性，SoC器件必须支持家电的代码安全性。它们还可能包含个人局域网技术(如蓝牙)，以便用户可以创建一个自动化家电网络。

像微波炉这样的家电中的语音引导技术，能在烹饪过程的每一步为用户提供帮助。要浏览自动调整的菜单，用户只需按一次按钮，语音就会引导完成各个步骤。这也可以通过SoC来实现。

家电设计挑战

使用上述任一种方法的家电系统设计师面临的设计挑战包括：

·电压波动保护

·防水及耐水特性

·实现通用电源

此外，驱动三相汽车电机需要选择具有低导通电阻(LowRon)和低栅电容的功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。同时，使用大功率MOSFET驱动电路的电路板必须设计成能够处理来自电源的高板载电流。

在涉及机电结构的电器中，有必要设计一种紧凑且经济高效的机电解决方案，以满足安全性的EMI/EMC(电磁干扰/电磁兼容)标准认证。

家电应用需要故障检测和恢复机制。还需要设计具有电池保护、过流保护、过热保护和启动失败保护的电源。实现自诊断是另一个设计挑战。家电及相关设备需要24/7全天候持续工作。选择可靠的组件对系统开发人员来说也是一个设计挑战。

故障分析与退货材料分析（RMA）

增加板上的内部和外部接口数量，会增加入侵者对系统造成破坏的途径。这是家电嵌入式系统最大的单一限制之一，而单芯片解决方案可以解决这个问题。

浮思特科技深耕功率器件领域，为客户提供IGBT、IPM模块等功率器件以及单片机(MCU)、触摸芯片，是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。