- EFM32xx系列MCU內(nèi)部集成實現(xiàn)無磁水表計量技術(shù)方案

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 MCU 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(nèi)部框圖

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(shè)，從ARM Cortex-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 Energer Sensor，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(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模塊框圖

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。

1充電

Low Energer Sensor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，這就需要一段延時，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。

延時圖示

3檢測

在延時之后，Low Energer Sensor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，如檢測圖示：

檢測圖示

圖中紅色基準線為通過DAC調(diào)整的參考電壓點，該參考點可按實際參數(shù)來通過DAC調(diào)整輸出從而調(diào)整該參考點的?？梢钥吹?，調(diào)整到合適的參考點，處于金屬區(qū)的Sensor因為衰減較快，所以很快電壓處于基準線以下，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，因為衰減較慢，電壓衰減到基準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。

一個關(guān)鍵點是：無磁檢測表面上對磁性干擾是不影響的，但是實際在強磁干擾下，磁場會改變正弦波的衰減波形，造成計量的誤差甚至誤計/不計。這時候我們需要通過檢測狀態(tài)變化的時序是否改變來判斷是否收到干擾，并且通過改變DAC的輸出改變參考電壓，從而達到抵消外部干擾的目的，做到真正的無磁抗干擾的效果。

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。

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，支持動畫功能，可以在LCD上運行自定義動畫，且無需任何CPU干預(yù)。

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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。

方案配套器件

MCP1711(LDO)：采用美國微芯科技公司（Micorchip Technology）超低功耗LDO MCP1711，靜態(tài)功耗達600 nA，輸入范圍1.4-6.0V，高輸出精度±20 mV（1%），可以有助于實現(xiàn)內(nèi)部參考源的穩(wěn)定性及精度，提高產(chǎn)品無磁檢測精度。

24LC16(EEPROM)：由美國微芯科技公司（Micorchip Technology）提供的EEPROM24LC16，采用IIC接口通訊，擦寫次數(shù)多，速度快，超低功耗（休眠電流1uA），穩(wěn)定性高，大大提高整個產(chǎn)品的性能。