EFM32xx系列MCU內(nèi)部集成實(shí)現(xiàn)無磁水表計(jì)量技術(shù)方案 - 全文

隨著時(shí)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，如機(jī)械表頭檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、有磁檢測(cè)等方式相繼問世。但這些方式存在明顯局限性：容易受外界電磁干擾或者因?yàn)橛来朋w對(duì)水中雜質(zhì)的累計(jì)吸附，造成計(jì)量誤差或被人為利用、漏計(jì)及不計(jì)。在這種情況下，無磁計(jì)量水表以其計(jì)量精度高、無磁性、無雜質(zhì)吸附，且不被人為干擾等優(yōu)點(diǎn)，被廣大水表廠家所青睞，市場(chǎng)前景廣闊。

本文基于SiliconLabs公司EFM32xx系列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)方案來做探討。除水表外，氣表、熱表采用這種計(jì)量方式亦同樣可行。

無磁檢測(cè)原理簡(jiǎn)介

無磁水表的基礎(chǔ)原理是LC振蕩傳感器，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(gè)正弦波輸出電路，通過K對(duì)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，由于存在電感L的電能消耗，所以將會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)逐步衰減的正弦波輸出。如下圖：

LC振蕩電路

利用該原理，無磁水表通過檢測(cè)該正弦波衰減過程來實(shí)現(xiàn)水表計(jì)量。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(duì)該LC電路充電后，MCU通過檢測(cè)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(huì)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(duì)較慢。通過MCU來檢測(cè)正弦波衰減的快慢，可以準(zhǔn)確識(shí)別出表盤轉(zhuǎn)子處于哪個(gè)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(cè)示意圖

無磁檢測(cè)是通過兩個(gè)LC振蕩電路組成的傳感器來實(shí)現(xiàn)的，下圖列出了表盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中對(duì)應(yīng)LC振蕩的正弦波衰減變化過程圖。

轉(zhuǎn)子狀態(tài)A對(duì)應(yīng)衰減波形

轉(zhuǎn)子狀態(tài)B對(duì)應(yīng)衰減波形

轉(zhuǎn)子狀態(tài)C對(duì)應(yīng)衰減波形

轉(zhuǎn)子狀態(tài)D對(duì)應(yīng)衰減波形

通過分析，得到Sensor1/Sensor2狀態(tài)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)Sensor1/Sensor2的正弦波衰減趨勢(shì)獲取對(duì)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)，進(jìn)而獲得水表的位置并計(jì)算出轉(zhuǎn)速。

用低電平表示衰減較快，高電平表示衰減較慢，得到下列關(guān)系：

傳感器檢測(cè)位置邏輯圖

那么關(guān)鍵問題是，MCU如何更有效檢測(cè)Sensor1與Sensor2的狀態(tài)，并使這個(gè)過程更簡(jiǎn)單更快速，又更低功耗呢？Silicon Labs公司的 32bit MCU內(nèi)置Low Energy Sensor模塊，將為我們提供一個(gè)量身定制用于無磁檢測(cè)計(jì)量的方案。

無磁水表方案介紹

方案采用Silicon Labs公司的MCU EFM32TG11B340F64GQ64為主平臺(tái)，利用MCU內(nèi)部的Low Energy Sensor模塊實(shí)現(xiàn)無磁檢測(cè)；LDO采用Microchip公司的超低功耗LDO MCP1711；Microchip公司的EEPROM 24LC16用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息；水表閥門開關(guān)控制采用三極管實(shí)現(xiàn)的分離驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)BDC閥門實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)采集通過UART來實(shí)現(xiàn)與抄表模塊通訊，用戶可以采用NB-IoT/Sub-G/藍(lán)牙等方式來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。

無磁水表方案框圖

MCU平臺(tái)介紹及方案框圖

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)48 MHz；超低功耗，51 μA/MHz @ 3 V Sleep 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；豐富的外設(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(dòng)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(gè)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(dòng)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(cè)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(cè)與低功耗設(shè)計(jì)是難點(diǎn)，而MCU內(nèi)部的Low Energer Sensor模塊既為無磁檢測(cè)簡(jiǎn)化了算法，也降低了系統(tǒng)功耗，同時(shí)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

Silicon Labs MCU 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

Low Energer Sensor介紹

Low Energer Sensor在Silicon Labs的高性能32bit MCU中作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行組合配置而形成的的測(cè)量傳感器，可用于測(cè)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(chǔ)在設(shè)定區(qū)域中，并通過預(yù)設(shè)的時(shí)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(shí)，可自動(dòng)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(jí)別的校準(zhǔn)時(shí)，才需要喚醒至 EM0（運(yùn)行模式），大大簡(jiǎn)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。?

Low Energer Sensor模塊框圖

Low Energer Sensor無磁檢測(cè)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(gè)穩(wěn)定過程，這個(gè)過程在檢測(cè)算法中需要一個(gè)Delay延時(shí)來規(guī)避檢測(cè)，防止誤判。

1充電

Low Energer Sensor給LC電路中電容C充電。充電時(shí)間很短，通DAC0-CHx開關(guān)對(duì)電容充電，定時(shí)斷開。

充電開關(guān)圖示

2延時(shí)

在剛充電到一段時(shí)間內(nèi)，正弦波衰減是很緩慢的，這就需要一段延時(shí)，等待有規(guī)律的衰減期到來，這段延時(shí)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(cè)試得到合適的值。

延時(shí)圖示

3檢測(cè)

在延時(shí)之后，Low Energer Sensor需要判斷此時(shí)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?，所以Low Energer Sensor通過比較器來測(cè)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(cè)圖示：

檢測(cè)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?？梢钥吹?，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(duì)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(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，所對(duì)應(yīng)的比較器翻轉(zhuǎn)次數(shù)就多。

一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是：無磁檢測(cè)表面上對(duì)磁性干擾是不影響的，但是實(shí)際在強(qiáng)磁干擾下，磁場(chǎng)會(huì)改變正弦波的衰減波形，造成計(jì)量的誤差甚至誤計(jì)/不計(jì)。這時(shí)候我們需要通過檢測(cè)狀態(tài)變化的時(shí)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(dá)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(chǔ)，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(dòng)檢測(cè)。

Low Energer Sensor對(duì)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(cè)量完成后自動(dòng)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(dòng)（可選）：LCD驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)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(dòng)電源。還提供一個(gè)專用的電荷再分配驅(qū)動(dòng)器可以減少40%LCD驅(qū)動(dòng)供電電流。此外，支持動(dòng)畫功能，可以在LCD上運(yùn)行自定義動(dòng)畫，且無需任何CPU干預(yù)。

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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(gè)Low Energy UART，可在32.76K時(shí)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(dòng)高效實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開合；12bitADC實(shí)現(xiàn)電池電量檢測(cè)及電機(jī)過流保護(hù)等。

方案配套器件

MCP1711(LDO)：采用美國(guó)微芯科技公司（Micorchip Technology）超低功耗LDO MCP1711，靜態(tài)功耗達(dá)600 nA，輸入范圍1.4-6.0V，高輸出精度±20 mV（1%），可以有助于實(shí)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(cè)精度。

24LC16(EEPROM)：由美國(guó)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(gè)產(chǎn)品的性能。