使用PIC16F17146开发帕尔贴冷却金属板

使用 PIC16F17146 开发帕尔贴冷却金属板简介

内核独立外设 （CIP） 是集成到微控制器 （MCU） 中的专用硬件块，可以降低功耗、提高 CPU 效率并添加新的 MCU 功能。帕尔贴冷却金属板，也称为冷板，展示了 CIP 在应用中的强大功能。CIP 使该解决方案能够高度集成，从而最大限度地减少此应用中的物料清单 （BOM）。

顾名思义，此应用的目标是将顶部金属表面冷却到用户设定的温度。为了实现这一目标，使用帕尔贴元件（固态热泵）将热量从顶板泵入下方的散热器。然后连接到散热器的冷却风扇将热量吹入大气中。图 1 显示了组装的演示。

图1 –组装好的冷板

MCU执行以下操作：

指示珀尔帖何时应打开以及何时应关闭

使用负温度系数（NTC）热敏电阻计算冷板和散热器的温度

放大帕尔贴电路的电流检测输出

在实验室环境外保持安全操作

验证冷却风扇是否正常工作

监控系统的异常值（帕尔贴电流和温度）

未完成自检时重置

验证加载的用户设置

在用户界面上显示遥测数据

响应用户的输入（按钮和旋转编码器）

在系统运行时更改 LED 灯模式

对于单个 8 位 MCU 来说，这似乎是很多工作。但是使用 CIP，这些功能和任务可以完成。为了实现此设计，由于采用了模拟外设，选择了PIC16F17146 MCU。该系列MCU以模拟为重点，具有12位差分模数运算转换器（ADCC）、集成运算放大器（OPAMP）、两个模拟比较器（CMP）和两个数模转换器（DAC）等外设。

这些模拟外设允许设计几乎完全在MCU中实现。这方面的一个例子是使用OPAMP的电流检测放大器。当帕尔贴元件拉动电流时，低压侧的检流电阻两端产生电压。由于感应电压相对较小（100A时为10 mV），因此很难直接将其他模拟外设用于该信号。通过将OPAMP用作电流检测放大器（图2），放大后的信号可以与其他模拟外设一起使用，从而提高其模拟性能。

图2 –电流检测放大器（与电流监控系统一起显示）

使用 CIP 实现的另一个功能是用户界面的正交解码器。用户旋转编码器以导航菜单并调整冷板的设置。旋转编码器生成一个正交编码波形，该波形由两个彼此异相 90 度的方波组成。旋转方向将根据哪个波形领先而另一个波形滞后来确定。如图 3 所示。

为了将正交编码信号转换为旋转信号，使用两个可配置逻辑单元（CLC）将正交编码信号转换为顺时针和逆时针脉冲，然后将其馈送到充当计数器的定时器1和定时器3。从那里，CPU可以对计时器计数执行简单的算术，以确定自上次读取以来的净变化，这与用户的编码器移动相关。这最大限度地减少了 CPU 用于确定自上次读取以来的净旋转次数的计算时间。

图 3 – 正交解码器的实现

开发过程中的一大问题是确保此应用程序可以在实验室环境之外运行。帕尔贴电路在产生极端（热/冷）温度的同时消耗大量电流。PIC16F17146 上的功能安全 （FuSa） 就绪外设用于强化系统，以应对可能发生的软件故障。

当帕尔贴运行时，微控制器会定期执行自检，以监控帕尔贴电流、系统温度和冷却风扇速度，以确保一切在预期参数范围内运行。例如，如果冷却风扇停止运行，系统应立即关闭，以防止损坏帕尔贴元件。同样，如果帕尔贴短路故障，系统应立即断电。此定期自检由窗口看门狗计时器 （WWDT） 强制执行。如果自检运行失败，微控制器将复位。

实施的另一个安全功能是用户设置的循环冗余校验（CRC）。目标温度、单位和迟滞参数等用户设置存储在器件 EEPROM 中。EEPROM中还集成了一个校验和，以验证内存是否损坏。启动时，系统会检查EEPROM，以查看设置是否存在且是否有效。如果内存未通过验证，则会擦除设置并将其设置为编译时默认值。

这篇博文讨论了 CIP 的一些优点和用途，以实现可以减少 BOM 的高度集成的系统。虽然不可能以博客形式介绍冷板内部使用的所有CIP实现，但随附的应用说明将更详细地介绍完整的实现。

审核编辑：郭婷