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，得到廣泛應用。而智能水表的計量方式也隨著電子技術的發(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 內部集成的 Low EnergerSensor 外設基礎上方便實現(xiàn)無磁水表計量技術方案來做探討。除水表外，氣表、熱表采用這種計量方式也非常可行。

無磁檢測原理簡介：

無磁水表的基礎原理是 LC 振蕩傳感器，如下圖：

LC振蕩電路

在該電路中，通過開關 K 調整，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。當電感線圈處于金屬區(qū)，會形成電感渦流，導致更大的電能消耗，正弦波衰減速度更快；當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，可以準確識別出表盤轉子處于哪個區(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計需求；32K 的 Flash 空間，4K SRAM；豐富外設為集成化設計提供了便利，內部集成可選的超低功耗 LCD 驅動達 8*20 段位；集成內部比較器/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。

在無磁水表產品中，無磁檢測與低功耗設計是難點，而MCU 內部的 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，使無磁水表設計實現(xiàn)高集成度，縮小體積，降低成本，產品更具市場競爭力。

Silicon Labs 開發(fā)環(huán)境 Simplicity Studio 支持多種標準 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內部框圖：

該方案設計框圖如下：

Low Energer Sensor介紹

Low Energer Sensor 在 Silicon Labs 的高性能 32bit MCU 中作為一個標準外設，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，通過比較翻轉邏輯來判斷輸入電壓與參考電壓的高低，輸出結果為翻轉次數(shù)，這些結果將存儲在設定區(qū)域中，并通過預設的時序邏輯處理，計數(shù)處理，從而通過多次結果分析來判斷所采樣的模擬波形變化情況。

借助于 Low EnergerSensor，當 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。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時，才需要喚醒至 EM0（運行模式），大大簡化產品的低功耗設計要求。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開關對電容充電，定時斷開。

延時：在剛充電到一段時間內，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：將本次獲得的轉子位置存儲，并與上次獲得位置進行分析，符合順轉或者逆轉邏輯為合理，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。

其他功能應用

LCD驅動（可選）：LCD驅動器能夠驅動多達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驅動電源。還提供一個專用的電荷再分配驅動器可以減少40%LCD驅動供電電流。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。

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，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方案之一，為客戶設計出更有優(yōu)勢的產品。

該無磁檢測方案性能、成本優(yōu)勢明顯，設計靈活，同時大大降低無磁檢測技術難度及功耗，并適用于氣表、熱表等其他類似表計方案應用。