基于 Silicon Labs MCU的新型無磁水表方案介紹
隨著時代發(fā)展,智能水表替代部分傳統(tǒng)機(jī)械水表,得到廣泛應(yīng)用。而智能水表的計(jì)量方式也隨著電子技術(shù)的發(fā)展越來越多樣化,機(jī)械表頭檢測,超聲波檢測,有磁檢測等方式相繼問世。但這些方式有明顯局限性:容易受外界電磁干擾或者因?yàn)橛来朋w對水中雜質(zhì)的累計(jì)吸附,造成計(jì)量誤差或被人為利用,造成漏計(jì)及不計(jì)。在這種情況下,無磁計(jì)量水表的優(yōu)勢顯著,其以計(jì)量精度高,無磁性,無雜質(zhì)吸附,不被人為干擾等優(yōu)點(diǎn),被廣大水表廠家所青睞。
針對新型無磁水表的設(shè)計(jì),Silicon Labs(亦稱“芯科科技”)的代理商合作伙伴貝能國際撰寫了本篇文章,探討基于Silicon Labs的EFM32系列32位MCU 內(nèi)部集成的Low Energer Sensor 外設(shè)基礎(chǔ)上方便實(shí)現(xiàn)無磁水表計(jì)量技術(shù)方案。除水表外,氣表、熱表采用這種計(jì)量方式也非??尚?。
無磁檢測原理簡介
無磁水表的基礎(chǔ)原理是LC 振蕩傳感器,如下圖:
LC振蕩電路
在該電路中,通過開關(guān)K 調(diào)整,可以在LC 電路上實(shí)現(xiàn)一個正弦波輸出電路,通過K對電容C充電,充滿后,將K 與電感L 連通,電容的電量將通過L 放電,因?yàn)榇嬖陔姼?/span>L 的電能消耗,所以將會呈現(xiàn)一個逐步衰減的正弦波輸出。
利用該原理,無磁水表通過檢測該正弦波衰減過程來實(shí)現(xiàn)水表計(jì)量的。在下圖右邊部分的電路中,圓盤代表水表的表盤轉(zhuǎn)子,深色區(qū)域表示金屬表盤區(qū),白色區(qū)域表示為非金屬表盤區(qū),L 為固定的電感線圈。當(dāng)對該 LC 電路充電后,MCU 通過檢測固定電容C 兩端的電壓,可以獲得LC 振蕩電路中的正弦波。
當(dāng)電感線圈處于金屬區(qū),會形成電感渦流,導(dǎo)致更大的電能消耗,正弦波衰減速度更快;當(dāng)電感線圈處于非金屬區(qū),基本不存在渦流,正弦波衰減速度相對較慢。通過MCU 來檢測正弦波衰減的快慢,可以準(zhǔn)確識別出表盤轉(zhuǎn)子處于哪個區(qū)域,進(jìn)而判斷表盤位置及圈數(shù),達(dá)到水表計(jì)量的目的。
水表計(jì)量無磁檢測示意圖
無磁檢測是通過兩個LC 振蕩電路來實(shí)現(xiàn)的,下圖列出了表盤轉(zhuǎn)動過程中對應(yīng)LC振蕩的正弦波衰減變化過程圖。
轉(zhuǎn)子狀態(tài)A 對應(yīng)衰減波形
轉(zhuǎn)子狀態(tài)B 對應(yīng)衰減波形
轉(zhuǎn)子狀態(tài)C 對應(yīng)衰減波形
轉(zhuǎn)子狀態(tài)D 對應(yīng)衰減波形
通過分析,得到Sensor1/Sensor2 狀態(tài)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中在A(0/1)->B(0/0)->C(1/0)->D(1/1)->A(0/1)->B(0/0)->C(1/0)……中循環(huán)出現(xiàn),我們通過檢測Sensor1/Sensor2的正弦波衰減趨勢獲取對應(yīng)狀態(tài),再通過不同的組合狀態(tài)(A:快/慢 B:快/快 C:慢/快 D:慢/慢),從而獲得水表的轉(zhuǎn)速。
用低電平表示衰減快,高電平表示衰減慢,得到下列關(guān)系:
傳感器檢測位置邏輯圖
那么關(guān)鍵問題是,MCU 如何更有效檢測Sensor1 與Sensor2 的狀態(tài),并使這個過程更簡單又更快速,更低功耗?SiliconLabs 公司 32bit MCU 內(nèi)置Low Energer Sensor 模塊,將為我們提供一個量身定制用于無磁檢測計(jì)量的方案。
MCU平臺介紹及方案框圖
SiliconLabs 公司高性能MCU EFM32TG11B340F64GQ64 是基于ARM Cortex-M0+核 MCU,采用最新90nm 新工藝設(shè)計(jì),工作頻率可達(dá)48MHz;超低功耗,51 μA/MHz @ 3VSleep Mode,5 種低功耗模式可以靈活滿足各種功耗設(shè)計(jì)需求;32K 的Flash 空間,4K SRAM;豐富外設(shè)為集成化設(shè)計(jì)提供了便利,內(nèi)部集成可選的超低功耗LCD 驅(qū)動達(dá)8*20 段位;集成內(nèi)部比較器/運(yùn)放,12bit ADC 及12bit DAC模塊, DAC 輸出可配置為比較器參考電壓輸入;8通道DMA大大提高系統(tǒng)效率,通訊接口豐富;雙串口加上一個低功耗串口Low Energy UART,IIC/SPI 都可以支持在DMA 模式下工作;加密算法靈活,支持自動隨機(jī)數(shù);提供高進(jìn)度低功耗RTC 及RTC 備用電源接口;Low Energer Sensor 模塊可以實(shí)現(xiàn)電容/電感/電量變化檢測及喚醒機(jī)制;抗干擾性強(qiáng),性能穩(wěn)定。
在無磁水表產(chǎn)品中,無磁檢測與低功耗設(shè)計(jì)是難點(diǎn),而MCU 內(nèi)部的Low Energy Sensor模塊既為無磁檢測簡化了算法,也降低了系統(tǒng)功耗,同時該芯片又高度集成各種外設(shè),使無磁水表設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高集成度,縮小體積,降低成本,產(chǎn)品更具市場競爭力。
SiliconLabs 開發(fā)環(huán)境Simplicity Studio 支持多種標(biāo)準(zhǔn)C 編譯器Keil/IAR/Hi-teck 等,采用可配置化編程工具SimplicityConfigurators,靈活方便,適合新用戶快速入手。
EFM32TG11Bxxx內(nèi)部框圖
該方案設(shè)計(jì)框圖如下:
無磁水表方案框圖
Low Energy Sensor介紹
LowEnerger Sensor 在Silicon Labs 的高性能32bit MCU 中作為一個標(biāo)準(zhǔn)外設(shè),從ARMCortex-M0+到M3/M4 系列中都存在。它是將幾種不同已存在的其它外設(shè)進(jìn)行組合配置而形成的的測量傳感器,可用于測量電感/電容/電量等的變化,它將模擬比較器采集的模擬數(shù)據(jù)與通過高精度DAC 生成的參考電壓進(jìn)行比較,通過比較翻轉(zhuǎn)邏輯來判斷輸入電壓與參考電壓的高低,輸出結(jié)果為翻轉(zhuǎn)次數(shù),這些結(jié)果將存儲在設(shè)定區(qū)域中,并通過預(yù)設(shè)的時序邏輯處理,計(jì)數(shù)處理,從而通過多次結(jié)果分析來判斷所采樣的模擬波形變化情況。
借助于Low Energer Sensor,當(dāng) EFM32TG11Bxxx 處于 EM2(深睡眠模式)時,可自動處理使用模擬比較器、DAC和計(jì)數(shù)器的幾乎所有傳感器接口任務(wù)。只有在傳感器讀數(shù)改變并且達(dá)到觸發(fā)閾值,或者需要更高級別的校準(zhǔn)時,才需要喚醒至 EM0(運(yùn)行模式),大大簡化產(chǎn)品的低功耗設(shè)計(jì)要求。在EM2模式下,MCU電流參數(shù)為1.54μA左右。
LowEnerger Sensor 模塊框圖
Low Energy Sensor無磁檢測的實(shí)現(xiàn)
在給LC電路充電后,斷開充電電路,LC電路的振蕩有一個穩(wěn)定過程,這個過程在檢測算法中需要一個Delay延時來規(guī)避檢測,防止誤判。
1,充電:Low EnergerSensor給LC電路中電容C充電。充電時間很短,通DAC0-CHx開關(guān)對電容充電,定時斷開。
充電開關(guān)圖示
2,延時:在剛充電到一段時間內(nèi),正弦波衰減是很緩慢的,這時候需要一段延時,等待有規(guī)律的衰減期到來,這段延時是根據(jù)LC參數(shù)及電感渦流大小來調(diào)整的,需要通過實(shí)驗(yàn)測試得到合適的值。
延時圖示
3,檢測:在延時之后,Low EnergerSensor需要判斷此時正弦波的的衰減速度,從而判斷Sensor1與Sensor2的狀態(tài)得到轉(zhuǎn)子位置。因?yàn)榻邮盏降氖钦也?,所?/span>LowEnerger Sensor通過比較器來測量,并通過調(diào)整比較器參考電壓的方法來判斷衰減情況,如檢測圖示:圖中紅色基準(zhǔn)線為通過DAC調(diào)整的參考電壓點(diǎn),該參考點(diǎn)可按實(shí)際參數(shù)來通過DAC調(diào)整輸出從而調(diào)整該參考點(diǎn)的。
可以看到,調(diào)整到合適的參考點(diǎn),處于金屬區(qū)的Sensor因?yàn)樗p較快,所以很快電壓處于基準(zhǔn)線以下,所對應(yīng)比較器翻轉(zhuǎn)次數(shù)就少;而處于非金屬區(qū)的Sensor,因?yàn)樗p較慢,電壓衰減到基準(zhǔn)線以下的時間相對較長,所對應(yīng)的比較器翻轉(zhuǎn)次數(shù)就多。
檢測圖示
4,處理:將本次獲得的轉(zhuǎn)子位置存儲,并與上次獲得位置進(jìn)行分析,符合順轉(zhuǎn)或者逆轉(zhuǎn)邏輯為合理,一旦不符合變化邏輯,則為無效計(jì)量,需要排查或者重新啟動檢測。Low Energer Sensor對以上步驟,通過軟件設(shè)置即可以實(shí)現(xiàn),無需客戶自行通過軟件來實(shí)現(xiàn)組合外設(shè)及控制邏輯,并且在測量完成后自動進(jìn)入IDIE模式,大大提高效率降低功耗。
Low Energer Sensor處理邏輯圖
其他功能應(yīng)用
-
LCD驅(qū)動(可選):LCD驅(qū)動器能夠驅(qū)動多達(dá)8x32段分段LCD顯示。電壓升壓功能使它能夠提供比電源電壓高的LCD驅(qū)動電源。還提供一個專用的電荷再分配驅(qū)動器可以減少40%LCD驅(qū)動供電電流。此外,還支持動畫功能,可以在LCD上運(yùn)行自定義動畫,而無需任何CPU干預(yù)。
-
雙串口通訊:可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊及外加抄表模塊/通訊模塊等,使用靈活,還提供一個LowEnergyUART,可在32.76K時鐘下工作在9600bps波特率,提高效率降低功耗。
-
其他功能:PWM驅(qū)動:高效實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開合;12bitADC:實(shí)現(xiàn)電池電量檢測及電機(jī)過流保護(hù)等。
方案優(yōu)勢
Silicon Labs的高性能高穩(wěn)定性MCU EFM32TGxxx,以高度集成的外設(shè),實(shí)現(xiàn)低成本低功耗單一芯片的無磁水表方案,與目前市場上無磁方案相比,該方案在功耗、集成度、成本、性能等方面都有明顯優(yōu)勢,相信未來隨著無磁水表市場的推進(jìn),此方案將逐步成為市場主導(dǎo)方案之一,為客戶設(shè)計(jì)出更有優(yōu)勢的產(chǎn)品。
以技術(shù)服務(wù)客戶為核心的貝能國際有限公司,強(qiáng)力推出該新型無磁水表方案,在技術(shù)支持上將為客戶提供強(qiáng)全方位支持,包括Silicon Labs MCU開發(fā)平臺、無磁檢測算法、硬件設(shè)計(jì)評估、軟件算法指導(dǎo)及其他技術(shù)協(xié)助,全力協(xié)助客戶完成無磁水表方案的成品量產(chǎn)工作。
該無磁檢測方案性能、成本優(yōu)勢明顯,設(shè)計(jì)靈活,同時大大降低無磁檢測技術(shù)難度及功耗,并適用于氣表、熱表等其他類似表計(jì)方案應(yīng)用。
參考文獻(xiàn):
1、EFM32TG11 FamilyData Sheet https://www.silabs.com
2、Low Energy SensorAN0029 - Application Note https://www.silabs.com
3,基于單片機(jī)的無磁傳感水表設(shè)計(jì)傳感器與微系統(tǒng) 2006 03:54-56
-
振蕩電路
+關(guān)注
關(guān)注
17文章
502瀏覽量
98814 -
EFM32
+關(guān)注
關(guān)注
3文章
46瀏覽量
70150 -
Silicon Labs
+關(guān)注
關(guān)注
11文章
330瀏覽量
62495
原文標(biāo)題:【應(yīng)用】基于EFM32系列32位MCU系列的新型無磁水表
文章出處:【微信號:SiliconLabs,微信公眾號:Silicon Labs】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
評論