使用 PIC16F17146 開發帕爾貼冷卻金屬板簡介

內核獨立外設 （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用中的物料清單 （BOM）。

顧名思義，此應用的目標是將頂部金屬表面冷卻到用戶設定的溫度。為了實現這一目標，使用帕爾貼元件（固態熱泵）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執行以下操作：

指示珀爾帖何時應打開以及何時應關閉

使用負溫度系數（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

在實驗室環境外保持安全操作

驗證冷卻風扇是否正常工作

監控系統的異常值（帕爾貼電流和溫度）

未完成自檢時重置

驗證加載的用戶設置

在用戶界面上顯示遙測數據

響應用戶的輸入（按鈕和旋轉編碼器）

在系統運行時更改 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，這些功能和任務可以完成。為了實現此設計，由于采用了模擬外設，選擇了PIC16F17146 MCU。該系列MCU以模擬為重點，具有12位差分模數運算轉換器（ADCC）、集成運算放大器（OPAMP）、兩個模擬比較器（CMP）和兩個數模轉換器（DAC）等外設。

這些模擬外設允許設計幾乎完全在MCU中實現。這方面的一個例子是使用OPAMP的電流檢測放大器。當帕爾貼元件拉動電流時，低壓側的檢流電阻兩端產生電壓。由于感應電壓相對較小（100A時為10 mV），因此很難直接將其他模擬外設用于該信號。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（與電流監控系統一起顯示）

使用 CIP 實現的另一個功能是用戶界面的正交解碼器。用戶旋轉編碼器以導航菜單并調整冷板的設置。旋轉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。旋轉方向將根據哪個波形領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換為旋轉信號，使用兩個可配置邏輯單元（CLC）將正交編碼信號轉換為順時針和逆時針脈沖，然后將其饋送到充當計數器的定時器1和定時器3。從那里，CPU可以對計時器計數執行簡單的算術，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。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次數的計算時間。

圖 3 – 正交解碼器的實現

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

當帕爾貼運行時，微控制器會定期執行自檢，以監控帕爾貼電流、系統溫度和冷卻風扇速度，以確保一切在預期參數范圍內運行。例如，如果冷卻風扇停止運行，系統應立即關閉，以防止損壞帕爾貼元件。同樣，如果帕爾貼短路故障，系統應立即斷電。此定期自檢由窗口看門狗計時器 （WWDT） 強制執行。如果自檢運行失敗，微控制器將復位。

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

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

審核編輯：郭婷