1.引言
電容感應方式的觸摸按鍵有很多優(yōu)點(diǎn)，由于不需要機械結構，相比傳統的機械按鍵和薄膜按鍵，觸摸式按鍵有著(zhù)不可比擬的優(yōu)勢，并由此帶來(lái)了時(shí)尚美觀(guān)的外觀(guān)設計。目前已經(jīng)廣泛應用于各種消費類(lèi)電子產(chǎn)品。越來(lái)越多的家電產(chǎn)品也開(kāi)始采用觸摸按鍵，電磁爐是其中一個(gè)典型的應用。
Cypress的觸摸技術(shù)Capsense是基于PSoC產(chǎn)品上的一種應用。PSoC(可編程片上系統)包含有8位微處理器核和數字與模擬混合信號陣列的可編程片上系統。不僅具有MCU的可編程序能力，還包含了部分可編程邏輯運算功能，同時(shí)也提供了可編程模擬陣列，集三種可編程能力與一體。在大多數家電的觸摸應用中，一般包括觸摸感應處理和系統控制處理。PSoC可提供該類(lèi)應用中所需要的資源，并簡(jiǎn)化了系統。

2.電磁爐控制原理及結構
電磁爐采用磁場(chǎng)感應電流加熱原理。它利用交變電流通過(guò)線(xiàn)圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)在鐵質(zhì)鍋具的底部產(chǎn)生感應電流(又稱(chēng)渦流)，渦流使鍋具鐵分子高速無(wú)規則運動(dòng)分子互相碰撞摩擦而產(chǎn)生熱能。圖1是典型的電磁爐系統框圖。
電磁爐的主回路為一個(gè)LC諧振電路，諧振頻率在20-30KHz左右。諧振回路由市電經(jīng)過(guò)整流濾波后產(chǎn)生的310V直流電壓供電。主回路中的IGBT工作在低開(kāi)關(guān)損耗的零電壓開(kāi)關(guān)方式(ZVS)，使線(xiàn)盤(pán)與諧振電容產(chǎn)生諧振電壓，從而實(shí)現電磁的轉換。為了實(shí)現IGBT零電壓開(kāi)關(guān)的控制，電路中需要對IGBT上的電壓進(jìn)行檢測，或稱(chēng)作同步檢測，只有在IGBT上的電壓接近零電壓時(shí)才允許IGBT導通。電磁爐的功率調整是通過(guò)對IGBT功率管進(jìn)行PWM占空比的調整來(lái)實(shí)現的，PWM占空比增大時(shí)，IGBT導通時(shí)間增長(cháng)，為線(xiàn)盤(pán)提供的電流增大，相應增大電磁爐的功率。振蕩器電路就是用于產(chǎn)生PWM信號以驅動(dòng)IGBT，PWM占空比由諧振電路和主控制器提供的參考電壓等共同決定的。通常，主控制器是通過(guò)輸出PWM占空比信號，并經(jīng)過(guò)一個(gè)RC濾波器來(lái)產(chǎn)生參考電壓。電流負反饋控制是通過(guò)檢測市電輸入電流實(shí)現對IGBT電流的控制。電路對電流采樣信號進(jìn)行處理，進(jìn)而減少I(mǎi)GBT的導通時(shí)間而減少I(mǎi)GBT平均電流。其他電路還包括電網(wǎng)電壓檢測，IGBT及鍋面溫度檢測，浪涌保護電路等一些外圍接口電路。主控制器通過(guò)上述采樣和控制電路可進(jìn)行恒功率控制，恒溫控制，過(guò)欠壓保護，過(guò)溫保護等一系列控制。
 

圖1. 電磁爐系統框圖

由于電磁爐控制面板和主電路通常放置在電磁爐中的不同位置，為了設計和維修的方便性，大多數的設計都采用兩個(gè)PCB板的方式 – 功率板和用戶(hù)接口面板。根據主控MCU放置的位置，大多可以分成以下三種結構。
1）主控MCU放置在功率板上，用戶(hù)接口面板為簡(jiǎn)單的按鍵和LED顯示。系統中只有一個(gè)MCU，成本較低，兩個(gè)PCB板之間通過(guò)較多的線(xiàn)束進(jìn)行連接。
2）主控MCU放置在功率板上，用戶(hù)接口面板用另外一個(gè)MCU進(jìn)行控制。兩個(gè)PCB板之間通過(guò)較少的線(xiàn)束連接。通常用于較高端的設計中，面板可以進(jìn)行較復雜的操作。
3）主控MCU放置在用戶(hù)接口面板上，功率板由幾個(gè)運放及一些離散器件構成。PCB之間的線(xiàn)束適中，系統成本較低，面板也可進(jìn)行較復雜的操作。多數設計采用這種方式。

3.觸摸按鍵電磁爐控制器
由于消費者在選擇電磁爐時(shí)更多注意力是集中在爐具的外觀(guān)上，觸摸按鍵類(lèi)的產(chǎn)品因此也越來(lái)越多的引入到電磁爐的設計中。在初期的設計中，多數采用分立器件設計觸摸按鍵。雖然成本較低，但分立器件調試非常困難，不適于批量生產(chǎn)，因此多數新的設計采用專(zhuān)用觸摸按鍵控制器。觸摸按鍵專(zhuān)用芯片的引入增加了系統的成本和設計的復雜度，并改變了原有的系統結構。PSoC可集成觸摸控制及主控功能為一體，可很好的將原有的非觸摸式電磁爐設計升級到觸摸式電磁爐。
3.1 CY8C22545介紹
CY8C22x45系列產(chǎn)品是Cypress針對觸摸應用及系統控制而專(zhuān)門(mén)設計的PSoC器件。圖2是CY8C22x45的系統框圖，它與普通的PSoC產(chǎn)品有相同的架構，包括有8個(gè)數字模塊和6個(gè)簡(jiǎn)化型的模擬模塊。這些模塊可根據客戶(hù)具體需要配置成為不同的外設，例如PWM發(fā)生器，定時(shí)器，ADC，比較器等。CY8C22x45為用戶(hù)提供了最多可到38個(gè)通用I/O, 16Kbyte閃存及1Kbyte的SRAM以及其它一些片上資源，例如10bit SAR ADC，電壓參考源(VDAC)，I2C通信模塊， 硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)。該系列器件專(zhuān)門(mén)為觸摸設計提供了相應的片上資源，并優(yōu)化了內部掃描電路。在不占用片上其他數字資源的情況下，可以實(shí)現雙通道的信號同時(shí)掃描，從而縮短所有按鍵總的掃描時(shí)間。
CY8C22x45可支持Cypress公司的CSA 和CSD 的Capsense算法，并可支持各種不同的觸摸設計，例如按鍵，線(xiàn)型滑條，圓形滑條，ITO觸摸屏等等。通過(guò)Cypress提供的圖形化設計軟件，用戶(hù)可以方便的將觸摸檢測和系統控制功能完美的集成在同一個(gè)PSoC控制器上來(lái)完成。
 
圖2. CY8C22x45系統框圖

3.2 觸摸按鍵設計
CY8C22545片上包含有優(yōu)化的觸摸控制邏輯，圖3是該器件用于一個(gè)通道的CSD觸摸感應控制的內部硬件框圖。與以往的Cypress觸摸產(chǎn)品比較，CY8C22545產(chǎn)品有以下一些特點(diǎn)：
1）CY8C22545采用左右兩條模擬總線(xiàn)的結構，所有的IO口都可通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)分別接到左右兩邊的模擬總線(xiàn)上。所有的IO口都可作為觸摸傳感器的輸入端。另外，CY8C22545內部設計了兩套掃描控制邏輯，可支持兩個(gè)觸摸傳感器同時(shí)進(jìn)行掃描的操作，這樣可以減少總的按鍵掃描時(shí)間。在微波爐等多按鍵(或滑條)的設計中，這種方式有著(zhù)獨到的優(yōu)勢。
2）該器件內部有兩個(gè)電流源(IDAC)，每個(gè)電流源有256級調節范圍，可輸出0~640uA電流，基本可替代各種Capsense精度配置時(shí)所采用的外部放電電阻，因此只需要一個(gè)外接的充放電電容即可完成感應電容的檢測。另外，采用內部IDAC替代外部放電電阻這種方法在做Capsense參數調整時(shí)非常方便，無(wú)需更換外部電阻即可實(shí)現參數的優(yōu)化配置。當然，客戶(hù)仍然可以選擇使用外部電阻作為Capsense的放電電阻。
3）掃描時(shí)鐘源，計數器和定時(shí)器都用專(zhuān)用的資源來(lái)支持，不占用任何數字模塊資源，因此可以有更多的數字資源用于系統控制。
4）另外，由于電路上的優(yōu)化，每個(gè)按鍵掃描完成后才產(chǎn)生一次中斷，因此大大的減少CPU干預時(shí)間，使得CPU有更多時(shí)間處理其它任務(wù)。
 
圖3. CSD觸摸感應控制邏輯框圖

3.3 系統設計
本設計采用目前市面上比較流行的電磁爐結構，即功率板由一片LM339及一些分立器件構成，而用戶(hù)接口板由MCU及LED等分立器件構成。功率板實(shí)現了包括同步檢測，電流負反饋控制，振蕩電路，浪涌保護等控制，本文就不再詳述。用戶(hù)接口板實(shí)現了觸摸感應控制，LED數碼管和LED燈掃描驅動(dòng)，用戶(hù)菜單管理，IGBT及鍋具溫度檢測，過(guò)溫保護，供電電源過(guò)欠壓保護，電磁爐恒功率控制，恒溫控制，風(fēng)扇、蜂鳴器等外設控制以及其他一些系統主控功能。圖4是用戶(hù)接口板的硬件框圖。

圖4. 用戶(hù)接口控制板框圖

CY8C22545采用44 pin 的TQFP封裝，最多有38個(gè)I/O，可支持到37個(gè)觸摸傳感器的輸入，因此可滿(mǎn)足大多數復雜的用戶(hù)接口板設計。如果IO數量不能滿(mǎn)足需求，用戶(hù)可以通過(guò)SPI接口與外部一片74LS164完成IO口的擴展用于LED等外圍器件的驅動(dòng)。
在本設計中，CY8C22545對外部12個(gè)觸摸感應按鍵進(jìn)行檢測，SAR10 ADC對各個(gè)溫度傳感器及AC電源的電壓和電流進(jìn)行采樣，并使用了三個(gè)數字模塊分別配置成三個(gè)8bit精度的PWM發(fā)生器，用于驅動(dòng)蜂鳴器，控制風(fēng)扇轉速以及產(chǎn)生功率控制用的PWM參考信號。另外，用一個(gè)數字模塊配置為8bit的定時(shí)器，用于固件的時(shí)基。如果需要IO擴展，則可用一個(gè)數字模塊配置為SPI接口以驅動(dòng)外部串并轉換邏輯。
恒功率控制和恒溫控制是電磁爐主要的兩種工作模式。在本系統中分別采用了兩個(gè)PID閉環(huán)控制算法實(shí)現恒功率控制和恒溫控制。由于這兩種系統具有不同的時(shí)間參數，需要分別調整設定系統PID參數。
無(wú)鍋檢測是電磁爐中一個(gè)重要的技術(shù)，它包含放置檢測和移開(kāi)檢測。放置檢測采用脈沖方式。在電磁爐正常工作之前，CY8C22545使主諧振電路打開(kāi)一個(gè)很小的時(shí)間，通過(guò)計算諧振過(guò)零點(diǎn)個(gè)數檢測諧振電路的振蕩次數。當沒(méi)有鍋具時(shí)，主諧振電路處于欠阻尼狀態(tài)，諧振過(guò)零點(diǎn)檢測端有較多的脈沖產(chǎn)生。有鍋具時(shí)，主諧振電路處于阻尼狀態(tài)，此時(shí)諧振過(guò)零點(diǎn)檢測端產(chǎn)生的脈沖較少。CY8C22545能夠通過(guò)檢測脈沖的數量決定是否有鍋具存在。移開(kāi)檢測采用了電流檢測的方法。當電磁爐正常工作時(shí)，工作電流會(huì )穩定在一個(gè)正常范圍內。如果移開(kāi)鍋具，系統的電流會(huì )急劇下降到一個(gè)較小的范圍。CY8C22545可以通過(guò)檢測電流的急劇下降，判定鍋具移開(kāi)。另外，在CY8C22545輸出一個(gè)固定占空比PWM的條件下，系統的工作電流會(huì )維持在一個(gè)特定的范圍。CY8C22545也可以通過(guò)檢測當前電流是否符合當前PWM的占空比來(lái)判斷鍋具是否移開(kāi)。

4.結語(yǔ)
采用PSoC CY8C22545的觸摸按鍵電磁爐設計，利用其模擬、數字和觸摸感應專(zhuān)用邏輯使整個(gè)系統只用了一個(gè)PSoC芯片便實(shí)現了觸摸按鍵電磁爐的控制功能。結構非常簡(jiǎn)潔明了，不需要太多的外圍元件。在觸摸感應的參數調整上非常靈活方便，為客戶(hù)的設計和生產(chǎn)節省許多調試時(shí)間。