CN114271552A - 一种集成mcu和电磁驱动的芯片系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成MCU和电磁驱动的芯片系统，包括：电源管理模块、信号采集模块、控制器处理模块、电磁驱动模块、音视频输出模块、测温控温模块、GPIO模块；电源管理模块包括：升/降压转换模块、充电管理模块、电池保护模块、电源输出模块；信号采集模块包括：电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、生物信号采集模块、电磁驱动负载采集模块；控制器处理模块包括：信号处理模块、信号传输模块、信号通信模块；音视频输出模块包括：语音播放模块、LED模块、LCD模块。本发明通过将MCU和电磁驱动功能集成封装到一颗芯片，能优化芯片性能、缩减开发周期，从而降低电磁感应加热烟具开发成本、优化器具产品小型化设计效果。

Description

一种集成MCU和电磁驱动的芯片系统

技术领域

本发明涉及一种集成MCU和电磁驱动的芯片系统，属于芯片领域。

背景技术

电磁感应加热烟具属于电子产品，涉及主控制器、电磁发生电路、外围电路等功能器件。目前，大多数电磁感应加热烟具采用电子元器件搭建电磁发生电路，通过主控制器管脚输出控制电磁发生电路的开闭，所需器件种类多、参数一致性较差，无法精准控制、工作效能差、预热时间长、运行功率能耗高。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种集成MCU和电磁驱动的芯片系统，以期能将MCU和电磁驱动功能集成封装到一颗芯片，从而能提升芯片性能、降低开发难度、缩减开发周期，从而能降低电磁感应加热烟具开发成本、优化器具产品小型化设计方案。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种集成MCU和电磁驱动的芯片系统的特点在于，包括：电源管理模块、信号采集模块、控制器处理模块、电磁驱动模块、音视频输出模块、测温控温模块、GPIO模块；

所述电源管理模块包括：升/降压转换模块、充电管理模块、电池保护模块、电源输出模块；

所述信号采集模块包括：电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、生物信号采集模块、电磁驱动负载采集模块；

所述控制器处理模块包括：信号处理模块、信号传输模块、信号通信模块；

所述电磁驱动模块包括：IGBT驱动模块、H桥功率模块；

所述音视频输出模块包括：语音播放模块、LED模块、LCD模块；

所述升/降压转换模块接收外部输入的电压并转换为信号处理模块正常工作所需的电压后提供给信号处理模块；

所述信号处理模块得电后发送电源控制信号给电源输出模块，使得电源输出模块启动，并输出相应电压给各模块；

各模块上电后进行自检操作，并在自检完成后将自检信号通过信号传输模块发送信号处理模块；

所述信号处理模块根据各个模块的自检信号，对自检信号中的正常信号所对应的模块进行使能操作，对自检信号中的故障信号所对应的模块进行复位操作后再进行自检，若仍然收到故障信号，则对相应模块进行报错处理；

所述信号采集模块接收到所述信号处理模块发送的周期性采集指令或者外界触发信号后，利用电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、生物信号采集模块分别相应采集电压、电流、温度、生物信号并通过信号传输模块发送给所述信号处理模块；

所述电池保护模块对所述信号采集模块所连接的外部供能元件进行监测，当发现异常信号时，则将警告信号发送给所述信号处理模块；

所述信号处理模块对所述信号采集模块上传的信号进行存储和处理，若接收到告警信号，则对相应的采集模块进行异常处理；

所述电磁驱动负载采集模块检测到外部的电磁感应线圈接入时，将接入信号发送给所述信号处理模块；

所述信号处理模块根据所述接入信号，将电磁驱动指令发送给IGBT驱动模块，使得所述IGBT驱动模块驱动IGBT器件电路，并将所述IGBT器件电路的输出信号发送至H桥功率模块；所述H桥功率模块根据所述输出信号，振荡产生相应频率的电磁信号并连接到所述电磁感应线圈；

所述电磁驱动负载采集模块通过电磁耦合作用检测到电磁感应线圈中放置有铁磁加热元件时，发送电磁负载信号给所述信号处理模块；所述信号处理模块根据所述电磁负载信号，按照所设定的功率发送驱动指令给所述电磁驱动模块，以输出相应功率的电磁信号驱动所述铁磁加热元件，同时通过所述信号传输模块发送测温控温驱动信号给所述测温控温模块；所述测温控温模块根据所接收到的测温控温驱动信号，实时测量所述铁磁加热元件的温度，并将温度信号通过信号传输模块传输至信号处理模块，所述信号处理模块接收到所述温度信号后与设定的阈值温度进行对比分析，从而通过信号传输模块发送控温信号给所述电磁驱动模块，用于进行相应电磁信号的功率调整；

若未检测到铁磁加热元件时，所述电磁驱动负载采集模块将关断信号通过信号传输模块发送至所述信号处理模块，由所述信号处理模块将电磁驱动关断指令通过信号传输模块传送至电磁驱动模块，使得所述电磁驱动模块进行电磁驱动功能的关断；

所述语音播放模块、LED模块、LCD模块分别检测到外部元件接入时，则发送识别信号给所述信号处理模块，由所述信号处理模块将音视频输出指令通过信号传输模块发送至音视频输出模块的对应模块用于启动，所述语音播放模块接收信号处理模块发送的语音信号并进行相应播报；所述LED、LCD模块接收信号处理模块发送的图片、文字、视频信号并进行相应输出显示；

所述信号通信模块检测到功能触发指令时，发送通信请求信号给所述信号处理模块，由所述信号处理模块按照设定的WIFI通信或蓝牙通信，将通信启动指令通过所述信号传输模块发送至所述信号通信模块，使得所述信号通信模块启动WIFI或蓝牙功能，用于建立通信链路；

所述充电管理模块检测到功能触发指令时，发送充电请求信号给所述信号处理模块，由所述信号处理模块选择无线充电或有线充电协议，将充电启动指令通过所述信号传输模块发送至充电管理模块，使得所述充电管理模块启动充电功能，用于将电能储存到储能元件中；

所述GPIO模块与控制器处理模块连接，用于按照需求进行IO管脚功能的设定；

本发明所述的一种集成MCU和电磁驱动的芯片系统的特点也在于，

所述电压采集模块用于采集外部供电电源的电压信号以及最小芯片系统中各个模块的电压信号；

所述电流采集模块用于采集外部供电电源的电流信号以及最小芯片系统中各个模块的电流信号；

所述温度采集模块用于采集外部供电电源、外部加热元件的温度信号以及最小芯片系统中各个模块的温度信号；

所述生物信号采集模块用于采集人体生物信号；

所述信号处理模块对所接收到的电压信号、电流信号进行放大、滤波、归一化的处理；

所述信号处理模块对所接到的温度信号进行放大、模-数转换、滤波、归一化的处理；

所述信号处理模块对所接到的人体生物信号进行信号放大、滤波、归一化和识别处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的集成MCU和电磁驱动的芯片系统能有利于电磁感应加热烟具及其他加热方式的加热烟具研发和生产，较大程度减少外围器件数量，简化硬件设计难度，有效减少了PCB的占用面积，降低了整体发热量，降低了开发成本，控温精准，预热迅速，运行功率能耗低，体验极佳。

2、本发明将电源管理模块、信号采集模块、控制器处理模块、电磁驱动模块、音视频输出模块、测温控温模块、GPIO模块集成到一颗芯片上，并通过控制器协调控制各模块工作，实现了控制器—电源管理—各模块电源输入端闭环、控制器—信号采集模块—各模块信号输出端闭环、控制器—电磁驱动模块闭环、控制器—信号通信模块—音视频输出模块闭环，综合调度各模块有序执行指令完成设定程序，通过将各模块集成到一颗芯片，并将模块驱动集成到芯片内部，降低了产品开发难度、缩减了产品开发周期、同时有效降低了产品所需外围元器件数量、极大降低了整机功耗、提升了产品小型化设计效果。

附图说明

图1为本发明集成MCU和电磁驱动的芯片系统的架构图。

具体实施方式

本实施例中，一种集成MCU和电磁驱动的芯片系统集成了多个模块，包含可用于各模块的软件编程开发，通过引出相应引脚实现MCU全部功能及电磁驱动功能，具有硬件集成度高，器件物料少，优化一致性的特点；利用可编程软件能控制电磁波输出频率；通过MCU实现精准控温，达到预热升温迅速；功率能耗极大降低的效果，具体的说，如图1所示，该芯片系统包括：电源管理模块、信号采集模块、控制器处理模块、电磁驱动模块、音视频输出模块、测温控温模块、GPIO模块；

其中，电源管理模块包括：升/降压转换模块、充电管理模块、电池保护模块、电源输出模块；

信号采集模块包括：电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、生物信号采集模块、电磁驱动负载采集模块；

控制器处理模块包括：信号处理模块、信号传输模块、信号通信模块；

电磁驱动模块包括：IGBT驱动模块、H桥功率模块；

音视频输出模块包括：语音播放模块、LED模块、LCD模块；

其中，电压采集模块用于采集外部供电电源的电压信号以及最小芯片系统中各个模块的电压信号；

电流采集模块用于采集外部供电电源的电流信号以及最小芯片系统中各个模块的电流信号；

温度采集模块用于采集外部供电电源、外部加热元件的温度信号以及最小芯片系统中各个模块的温度信号；

生物信号采集模块用于采集人体生物信号；

信号处理模块对所接收到的电压信号、电流信号进行放大、滤波、归一化的处理；

信号处理模块对所接到的温度信号进行放大、模-数转换、滤波、归一化的处理；

信号处理模块对所接到的人体生物信号进行信号放大、滤波、归一化和识别处理；

GPIO模块与控制器处理模块连接，用于按照需求进行IO管脚功能的设定；芯片集成GPIO管脚，可实现芯片的输入、输出或其它特殊功能；

控制器处理模块可以是单片机、PLC、DSP、FPGA、ARM、SoC等控制器。

本实施例中，一种集成MCU和电磁驱动的芯片系统的控制流程如下：

步骤1、升/降压转换模块接收外部输入的电压并转换为信号处理模块正常工作所需的电压后提供给信号处理模块；升/降压转换器可实现宽电压范围的升/降压转换，可实现输入电压1.5V～4.2V，升压到3.3V～15V输出电压，输出电流为1A～5A；

步骤2、信号处理模块得电后发送电源控制信号给电源输出模块，使得电源输出模块启动，并输出相应电压给各模块；

步骤3、模块自检控制流程：

各模块上电后进行自检操作，并在自检完成后将自检信号通过信号传输模块发送信号处理模块；

步骤4、信号处理模块根据各个模块的自检信号，对自检信号中的正常信号所对应的模块进行使能操作，对自检信号中的故障信号所对应的模块进行复位操作后再进行自检，若仍然收到故障信号，则对相应模块进行报错处理；

步骤5、信号采集及处理控制流程：

信号采集模块接收到信号处理模块发送的周期性采集指令或者外界触发信号后，利用电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、生物信号采集模块分别相应采集电压、电流、温度、生物信号并通过信号传输模块发送给信号处理模块；

电池保护模块对信号采集模块所连接的外部供能元件进行监测，当发现异常信号时，则将警告信号发送给信号处理模块；锂电池保护控制包括过压保护、过流保护、短路保护、低压保护、过温保护等功能；

信号处理模块对信号采集模块上传的信号进行存储和处理，若接收到告警信号，则对相应的采集模块进行异常处理；

步骤6、电磁驱动控制流程：

电磁驱动负载采集模块检测到外部的电磁感应线圈接入时，将接入信号发送给信号处理模块；

信号处理模块根据接入信号，将电磁驱动指令发送给IGBT驱动模块，使得IGBT驱动模块驱动IGBT器件电路，并将IGBT器件电路的输出信号发送至H桥功率模块；芯片内部集成IGBT驱动功能，通过对芯片引脚使能实现IGBT驱动；H桥功率模块根据输出信号，振荡产生相应频率的电磁信号并连接到电磁感应线圈；芯片内部集成H桥功率输出功能，可实现全桥输出或半桥输出，通过针对芯片内部寄存器进行相应配置实现全桥输出或半桥输出功能，H桥功率输出模块的输入端连接至IGBT驱动的输出端，H桥功率输出端外接电感应线圈，产生交变电磁场，电磁波频率范围100kHz～2.4GHz。

电磁驱动负载采集模块通过电磁耦合作用检测到电磁感应线圈中放置有铁磁加热元件时，发送电磁负载信号给信号处理模块；信号处理模块根据电磁负载信号，按照所设定的功率发送驱动指令给电磁驱动模块，以输出相应功率的电磁信号驱动铁磁加热元件，同时通过信号传输模块发送测温控温驱动信号给测温控温模块；其中，测温模块可接入温度传感器测温信号(热电偶、热电阻等测温信号)；控温模块完成热敏电阻测温控制功能；

测温控温模块根据所接收到的测温控温驱动信号，实时测量铁磁加热元件的温度，并将温度信号通过信号传输模块传输至信号处理模块，信号处理模块接收到温度信号后与设定的阈值温度进行对比分析，从而通过信号传输模块发送控温信号给电磁驱动模块，用于进行相应电磁信号的功率调整；

若未检测到铁磁加热元件时，电磁驱动负载采集模块将关断信号通过信号传输模块发送至信号处理模块，由信号处理模块将电磁驱动关断指令通过信号传输模块传送至电磁驱动模块，使得电磁驱动模块进行电磁驱动功能的关断；

步骤7、音视频输出控制流程：

芯片内部集成语音模块播放电路，直接外接扬声器实现语音播放功能；

芯片内部集成LED驱动模块包括恒压式、恒流式、脉冲式驱动的一种或多种组合；

芯片内部集成LCD驱动模块包括TN、STN、TFT等驱动方式，直接连接液晶显示屏实现显示功能；

语音播放模块、LED模块、LCD模块分别检测到外部元件接入时，则发送识别信号给信号处理模块，由信号处理模块将音视频输出指令通过信号传输模块发送至音视频输出模块的对应模块用于启动，语音播放模块接收信号处理模块发送的语音信号并进行相应播报；LED、LCD模块接收信号处理模块发送的图片、文字、视频信号并进行相应输出显示；

步骤8、芯片通信控制流程：

芯片集成蓝牙驱动模块电路，直接外接蓝牙天线实现蓝牙通信功能；

芯片集成WIFI驱动模块电路，直接外接WIFI天线实现WIFI通信功能；

信号通信模块检测到功能触发指令时，发送通信请求信号给信号处理模块，由信号处理模块按照设定的WIFI通信或蓝牙通信，将通信启动指令通过信号传输模块发送至信号通信模块，使得信号通信模块启动WIFI或蓝牙功能，用于建立通信链路；

步骤9、芯片充电管理控制流程：

充电管理模块检测到功能触发指令时，发送充电请求信号给信号处理模块，由信号处理模块选择无线充电或有线充电协议，将充电启动指令通过信号传输模块发送至充电管理模块，使得充电管理模块启动充电功能，用于将电能储存到储能元件中；无线充电控制协议采用Qi或PMA或A4WP标准中的一种或多种；有线充电控制可实现单节锂电池或多节锂电池组的充电控制；多节锂电池组由两个及以上锂电池电池通过并联或串联组成的锂电池组。

综上所述，该一种集成MCU和电磁驱动的芯片系统的优势在于：硬件集成度高，外围器件物料少；电磁驱动通过芯片可编程软件控制，运行工作效率高，可实现100kHz+的电磁波输出；MCU可实现精准控温，控温精度≤±2℃；预热升温迅速，可实现15s以下快速预热；芯片能耗低，最大功耗为10W以下，恒定工作状态低于5W。

Claims (2)

1.一种集成MCU和电磁驱动的芯片系统，其特征在于，包括：电源管理模块、信号采集模块、控制器处理模块、电磁驱动模块、音视频输出模块、测温控温模块、GPIO模块；

所述电源管理模块包括：升/降压转换模块、充电管理模块、电池保护模块、电源输出模块；

所述信号采集模块包括：电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、生物信号采集模块、电磁驱动负载采集模块；

所述控制器处理模块包括：信号处理模块、信号传输模块、信号通信模块；

所述电磁驱动模块包括：IGBT驱动模块、H桥功率模块；

所述音视频输出模块包括：语音播放模块、LED模块、LCD模块；

所述升/降压转换模块接收外部输入的电压并转换为信号处理模块正常工作所需的电压后提供给信号处理模块；

所述信号处理模块得电后发送电源控制信号给电源输出模块，使得电源输出模块启动，并输出相应电压给各模块；

各模块上电后进行自检操作，并在自检完成后将自检信号通过信号传输模块发送信号处理模块；

所述信号处理模块根据各个模块的自检信号，对自检信号中的正常信号所对应的模块进行使能操作，对自检信号中的故障信号所对应的模块进行复位操作后再进行自检，若仍然收到故障信号，则对相应模块进行报错处理；

所述信号采集模块接收到所述信号处理模块发送的周期性采集指令或者外界触发信号后，利用电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、生物信号采集模块分别相应采集电压、电流、温度、生物信号并通过信号传输模块发送给所述信号处理模块；

所述电池保护模块对所述信号采集模块所连接的外部供能元件进行监测，当发现异常信号时，则将警告信号发送给所述信号处理模块；

所述信号处理模块对所述信号采集模块上传的信号进行存储和处理，若接收到告警信号，则对相应的采集模块进行异常处理；

所述电磁驱动负载采集模块检测到外部的电磁感应线圈接入时，将接入信号发送给所述信号处理模块；

所述信号处理模块根据所述接入信号，将电磁驱动指令发送给IGBT驱动模块，使得所述IGBT驱动模块驱动IGBT器件电路，并将所述IGBT器件电路的输出信号发送至H桥功率模块；所述H桥功率模块根据所述输出信号，振荡产生相应频率的电磁信号并连接到所述电磁感应线圈；

所述电磁驱动负载采集模块通过电磁耦合作用检测到电磁感应线圈中放置有铁磁加热元件时，发送电磁负载信号给所述信号处理模块；所述信号处理模块根据所述电磁负载信号，按照所设定的功率发送驱动指令给所述电磁驱动模块，以输出相应功率的电磁信号驱动所述铁磁加热元件，同时通过所述信号传输模块发送测温控温驱动信号给所述测温控温模块；所述测温控温模块根据所接收到的测温控温驱动信号，实时测量所述铁磁加热元件的温度，并将温度信号通过信号传输模块传输至信号处理模块，所述信号处理模块接收到所述温度信号后与设定的阈值温度进行对比分析，从而通过信号传输模块发送控温信号给所述电磁驱动模块，用于进行相应电磁信号的功率调整；

若未检测到铁磁加热元件时，所述电磁驱动负载采集模块将关断信号通过信号传输模块发送至所述信号处理模块，由所述信号处理模块将电磁驱动关断指令通过信号传输模块传送至电磁驱动模块，使得所述电磁驱动模块进行电磁驱动功能的关断；

所述语音播放模块、LED模块、LCD模块分别检测到外部元件接入时，则发送识别信号给所述信号处理模块，由所述信号处理模块将音视频输出指令通过信号传输模块发送至音视频输出模块的对应模块用于启动，所述语音播放模块接收信号处理模块发送的语音信号并进行相应播报；所述LED、LCD模块接收信号处理模块发送的图片、文字、视频信号并进行相应输出显示；

所述信号通信模块检测到功能触发指令时，发送通信请求信号给所述信号处理模块，由所述信号处理模块按照设定的WIFI通信或蓝牙通信，将通信启动指令通过所述信号传输模块发送至所述信号通信模块，使得所述信号通信模块启动WIFI或蓝牙功能，用于建立通信链路；

所述充电管理模块检测到功能触发指令时，发送充电请求信号给所述信号处理模块，由所述信号处理模块选择无线充电或有线充电协议，将充电启动指令通过所述信号传输模块发送至充电管理模块，使得所述充电管理模块启动充电功能，用于将电能储存到储能元件中；

所述GPIO模块与控制器处理模块连接，用于按照需求进行IO管脚功能的设定。

2.根据权利要求1所述的一种集成MCU和电磁驱动的芯片系统，其特征在于，

所述电压采集模块用于采集外部供电电源的电压信号以及最小芯片系统中各个模块的电压信号；

所述电流采集模块用于采集外部供电电源的电流信号以及最小芯片系统中各个模块的电流信号；

所述温度采集模块用于采集外部供电电源、外部加热元件的温度信号以及最小芯片系统中各个模块的温度信号；

所述生物信号采集模块用于采集人体生物信号；

所述信号处理模块对所接收到的电压信号、电流信号进行放大、滤波、归一化的处理；

所述信号处理模块对所接到的温度信号进行放大、模-数转换、滤波、归一化的处理；

所述信号处理模块对所接到的人体生物信号进行信号放大、滤波、归一化和识别处理。

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