基于GP21+EFM32的超低功耗超聲波熱量表

　　隨著生活質(zhì)量的提高人們對(duì)于居住舒適度的要求，我國(guó)北方地區(qū)的樓宇建設(shè)都將普遍推廣熱量表到戶，用于冬天的暖氣供應(yīng)。自從2009年起，我國(guó)北方進(jìn)行了供熱改革，至今已卓見(jiàn)成效。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年按熱量計(jì)費(fèi)將是北方供暖改革的重要方向。而熱量表更是供熱系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，它負(fù)責(zé)熱量的計(jì)算、記錄和數(shù)據(jù)傳送工作。超聲波熱量表由于其測(cè)量方式無(wú)接觸部件，且具有低壓降、低能量消耗、測(cè)量精度高的優(yōu)勢(shì)，所以它正在逐漸取代機(jī)械式的熱量表，成為北方供熱供暖計(jì)量方案的首選。

　　基于Energymicro公司的32位Cortex-M3內(nèi)核的超低功耗微控制器EFM32與ACAM公司的高集成度TDC-GP21芯片推出的超聲波熱量表方案，能夠充分發(fā)揮EFM32的超低功耗與高運(yùn)算能力的特點(diǎn)及GP21高精度的測(cè)量能力，它將成為超聲波熱量表方案中的最優(yōu)之選。

　　系統(tǒng)框架

　　圖 1所示，超聲波熱量表包括超低功耗微控制器EFM32TG840F32、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP21（熱敏電阻PT1000、超聲波換能器）、LCD顯示液晶屏、操作按鍵、紅外通信電路及MBUS通信電路。整個(gè)系統(tǒng)由3.6V鋰電池供電，考慮到TDC-GP21的供電電壓將電壓轉(zhuǎn)換為3.3V。

　　圖 1 超聲波熱量表方案框圖

　　硬件設(shè)計(jì)

　　1、主控及顯示部分

　　超聲波主控MCU采用EFM32TG840F32，它是基于ARM公司的32位Cortex-M3內(nèi)核設(shè)計(jì)而來(lái)，對(duì)比于傳統(tǒng)的8位、16位單片機(jī)，它具有更高的運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理能力，更高的代碼密度，更低的功耗。實(shí)際數(shù)據(jù)顯示，EFM32TG840在執(zhí)行32位乘法運(yùn)算僅需4個(gè)內(nèi)核時(shí)鐘周期，32位除法運(yùn)算僅需8個(gè)內(nèi)核時(shí)鐘周期，而相應(yīng)熱表上運(yùn)用的16位單片機(jī)卻分別需要50和465個(gè)時(shí)鐘周期。而恰恰在時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21上采集得到的數(shù)據(jù)均是32位長(zhǎng)度，因此在運(yùn)算和熱量計(jì)算時(shí)均是32位的數(shù)據(jù)運(yùn)算?？梢?jiàn)，采用EFM32TG840可以讓超聲波熱量表有更好的運(yùn)算性能，從而使得整機(jī)可以縮短處在運(yùn)行計(jì)算狀態(tài)狀態(tài)，達(dá)到降低運(yùn)行功耗的效果。

　　EFM32TG840具有EM0-EM4共5種低功耗模式。在EM2的低功耗模式下，微控制器仍可實(shí)現(xiàn)RTC運(yùn)行，LEUART、LETIMER及LESENSE的通信或控制功能，而功耗僅需900你A。而且它具有靈活的喚醒方式和自主工作的PRS系統(tǒng)，可以由外部I/O、I2C通信接口、LEUART通信信號(hào)等等方式喚醒。

　　EFM32TG840集成了8×20段的LCD驅(qū)動(dòng)器，滿足直接驅(qū)動(dòng)超聲波熱量表液晶屏的需求，而功耗僅為550nA。EFM32TG840的LCD驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部集成電壓升壓功能和對(duì)比度調(diào)節(jié)功能，可實(shí)現(xiàn)在芯片內(nèi)部VCMP電壓比較器監(jiān)控VDD電壓，分等級(jí)開(kāi)啟LCD升壓及對(duì)比度調(diào)節(jié)，達(dá)到LCD的現(xiàn)象效果良好，即使系統(tǒng)電池隨著使用時(shí)間增加出現(xiàn)電壓跌落現(xiàn)象。

　　圖2 主控MCU及顯示電路（點(diǎn)擊查看大圖）

　　EFM32TG840的I/O可以設(shè)置為低功耗模式喚醒及GPIO中斷模式，因此外部操作按鈕可以在低功耗條件下實(shí)現(xiàn)交互控制動(dòng)作。