使用 PIC16F17146 開發(fā)帕爾貼冷卻金屬板簡介

內(nèi)核獨立外設(shè) （CIP） 是集成到微控制器 （MCU） 中的專用硬件塊，可以降低功耗、提高 CPU 效率并添加新的 MCU 功能。帕爾貼冷卻金屬板，也稱為冷板，展示了 CIP 在應(yīng)用中的強大功能。CIP 使該解決方案能夠高度集成，從而最大限度地減少此應(yīng)用中的物料清單 （BOM）。

顧名思義，此應(yīng)用的目標(biāo)是將頂部金屬表面冷卻到用戶設(shè)定的溫度。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，使用帕爾貼元件（固態(tài)熱泵）將熱量從頂板泵入下方的散熱器。然后連接到散熱器的冷卻風(fēng)扇將熱量吹入大氣中。圖 1 顯示了組裝的演示。

圖1 –組裝好的冷板

MCU執(zhí)行以下操作：

指示珀爾帖何時應(yīng)打開以及何時應(yīng)關(guān)閉

使用負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻計算冷板和散熱器的溫度

放大帕爾貼電路的電流檢測輸出

在實驗室環(huán)境外保持安全操作

驗證冷卻風(fēng)扇是否正常工作

監(jiān)控系統(tǒng)的異常值（帕爾貼電流和溫度）

未完成自檢時重置

驗證加載的用戶設(shè)置

在用戶界面上顯示遙測數(shù)據(jù)

響應(yīng)用戶的輸入（按鈕和旋轉(zhuǎn)編碼器）

在系統(tǒng)運行時更改 LED 燈模式

對于單個 8 位 MCU 來說，這似乎是很多工作。但是使用 CIP，這些功能和任務(wù)可以完成。為了實現(xiàn)此設(shè)計，由于采用了模擬外設(shè)，選擇了PIC16F17146 MCU。該系列MCU以模擬為重點，具有12位差分模數(shù)運算轉(zhuǎn)換器（ADCC）、集成運算放大器（OPAMP）、兩個模擬比較器（CMP）和兩個數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）等外設(shè)。

這些模擬外設(shè)允許設(shè)計幾乎完全在MCU中實現(xiàn)。這方面的一個例子是使用OPAMP的電流檢測放大器。當(dāng)帕爾貼元件拉動電流時，低壓側(cè)的檢流電阻兩端產(chǎn)生電壓。由于感應(yīng)電壓相對較?。?00A時為10 mV），因此很難直接將其他模擬外設(shè)用于該信號。通過將OPAMP用作電流檢測放大器（圖2），放大后的信號可以與其他模擬外設(shè)一起使用，從而提高其模擬性能。

圖2 –電流檢測放大器（與電流監(jiān)控系統(tǒng)一起顯示）

使用 CIP 實現(xiàn)的另一個功能是用戶界面的正交解碼器。用戶旋轉(zhuǎn)編碼器以導(dǎo)航菜單并調(diào)整冷板的設(shè)置。旋轉(zhuǎn)編碼器生成一個正交編碼波形，該波形由兩個彼此異相 90 度的方波組成。旋轉(zhuǎn)方向?qū)⒏鶕?jù)哪個波形領(lǐng)先而另一個波形滯后來確定。如圖 3 所示。

為了將正交編碼信號轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)信號，使用兩個可配置邏輯單元（CLC）將正交編碼信號轉(zhuǎn)換為順時針和逆時針脈沖，然后將其饋送到充當(dāng)計數(shù)器的定時器1和定時器3。從那里，CPU可以對計時器計數(shù)執(zhí)行簡單的算術(shù)，以確定自上次讀取以來的凈變化，這與用戶的編碼器移動相關(guān)。這最大限度地減少了 CPU 用于確定自上次讀取以來的凈旋轉(zhuǎn)次數(shù)的計算時間。

圖 3 – 正交解碼器的實現(xiàn)

開發(fā)過程中的一大問題是確保此應(yīng)用程序可以在實驗室環(huán)境之外運行。帕爾貼電路在產(chǎn)生極端（熱/冷）溫度的同時消耗大量電流。PIC16F17146 上的功能安全 （FuSa） 就緒外設(shè)用于強化系統(tǒng)，以應(yīng)對可能發(fā)生的軟件故障。

當(dāng)帕爾貼運行時，微控制器會定期執(zhí)行自檢，以監(jiān)控帕爾貼電流、系統(tǒng)溫度和冷卻風(fēng)扇速度，以確保一切在預(yù)期參數(shù)范圍內(nèi)運行。例如，如果冷卻風(fēng)扇停止運行，系統(tǒng)應(yīng)立即關(guān)閉，以防止損壞帕爾貼元件。同樣，如果帕爾貼短路故障，系統(tǒng)應(yīng)立即斷電。此定期自檢由窗口看門狗計時器 （WWDT） 強制執(zhí)行。如果自檢運行失敗，微控制器將復(fù)位。

實施的另一個安全功能是用戶設(shè)置的循環(huán)冗余校驗（CRC）。目標(biāo)溫度、單位和遲滯參數(shù)等用戶設(shè)置存儲在器件 EEPROM 中。EEPROM中還集成了一個校驗和，以驗證內(nèi)存是否損壞。啟動時，系統(tǒng)會檢查EEPROM，以查看設(shè)置是否存在且是否有效。如果內(nèi)存未通過驗證，則會擦除設(shè)置并將其設(shè)置為編譯時默認(rèn)值。

這篇博文討論了 CIP 的一些優(yōu)點和用途，以實現(xiàn)可以減少 BOM 的高度集成的系統(tǒng)。雖然不可能以博客形式介紹冷板內(nèi)部使用的所有CIP實現(xiàn)，但隨附的應(yīng)用說明將更詳細(xì)地介紹完整的實現(xiàn)。

審核編輯：郭婷