基于EFM32低功耗MCU的新型無磁水表方案

隨著時代發(fā)展，智能水表替代部分傳統(tǒng)機械水表，得到廣泛應(yīng)用。而智能水表的計量方式也隨著電子技術(shù)的發(fā)展越來越多樣化，機械表頭檢測，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為永磁體對水中雜質(zhì)的累計吸附，造成計量誤差或被人為利用，造成漏計及不計。在這種情況下，無磁計量水表的優(yōu)勢顯著，其以計量精度高，無磁性，無雜質(zhì)吸附，不被人為干擾等優(yōu)點，被廣大水表廠家所青睞。

本文基于 Silicon Labs（亦稱芯科科技）公司 EFM32xx 系列 MCU 內(nèi)部集成的 Low EnergerSensor 外設(shè)基礎(chǔ)上方便實現(xiàn)無磁水表計量技術(shù)方案來做探討。除水表外，氣表、熱表采用這種計量方式也非?？尚小?/p>

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，因為存在電感 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現(xiàn)水表計量的。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，進而判斷表盤位置及圈數(shù)，達到水表計量的目的。

MCU平臺介紹及方案框圖

Silicon Labs 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，工作頻率可達 48 MHz；超低功耗，51 μA/MHz @ 3 VSleep Mode，5種低功耗模式可以靈活滿足各種功耗設(shè)計需求；32K 的 Flash 空間，4K SRAM；豐富外設(shè)為集成化設(shè)計提供了便利，內(nèi)部集成可選的超低功耗 LCD 驅(qū)動達 8*20 段位；集成內(nèi)部比較器/運放，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，支持自動隨機數(shù)；提供高進度低功耗 RTC 及 RTC 備用電源接口；Low Energer Sensor 模塊可以實現(xiàn)電容/電感/電量變化檢測及喚醒機制；抗干擾性強，性能穩(wěn)定。

在無磁水表產(chǎn)品中，無磁檢測與低功耗設(shè)計是難點，而MCU 內(nèi)部的 Low Energer 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)計實現(xiàn)高集成度，縮小體積，降低成本，產(chǎn)品更具市場競爭力。

Silicon Labs 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 Simplicity Configurators，靈活方便，適合新用戶快速入手。

EFM32TG11Bxxx內(nèi)部框圖：

該方案設(shè)計框圖如下：

Low Energer Sensor介紹

Low Energer 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 EnergerSensor，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（運行模式），大大簡化產(chǎn)品的低功耗設(shè)計要求。在 EM2 模式下，MCU 電流參數(shù)為 1.54μA 左右。

Low Energer Sensor無磁檢測的實現(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。

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。

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，需要通過實驗測試得到合適的值。

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。因為接收到的是正弦波，所以Low Energer 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。

處理：將本次獲得的轉(zhuǎn)子位置存儲，并與上次獲得位置進行分析，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)置即可以實現(xiàn)，無需客戶自行通過軟件來實現(xiàn)組合外設(shè)及控制邏輯，并且在測量完成后自動進入IDIE模式，大大提高效率降低功耗。

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上運行自定義動畫，而無需任何CPU干預(yù)。

雙串口通訊：可以實現(xiàn)與上位機通訊及外加抄表模塊/通訊模塊等，使用靈活，還提供一個Low Energy UART，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:高效實現(xiàn)電機的開合;12bitADC:實現(xiàn)電池電量檢測及電機過流保護等；

整體方案優(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，此方案將逐步成為市場主導(dǎo)方案之一，為客戶設(shè)計出更有優(yōu)勢的產(chǎn)品。

該無磁檢測方案性能、成本優(yōu)勢明顯，設(shè)計靈活，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方案應(yīng)用。