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全新无磁水表方案

 


        Silicon Labs公司高性能高稳定性MCU EFM32TG11xxx,以高度集成的外设,实现低成本低功耗单一芯片的无磁水表方案,与目前市场上无磁方案相比,该方案在功耗、集成度、成本、性能等方面极具优势。随着无磁水表市场的推进,此方案未来将成为市场主导方案之一。

        该方案具有节能的外围设备和能耗模式,可以实现高功能、低功耗的系统设计,设计灵活,大大降低无磁检测技术难度及功耗,同时适用气表、热表等其他表计方案设计需求。 

 


 

无磁检测原理简介

 
        无磁水表的基础原理是LC振荡传感器,在该电路中,通过开关K调整,可以在LC电路上实现一个正弦波输出电路,通过K对电容C充电,充满后,将K与电感L连通,电容的电量将通过L放电,由于存在电感L的电能消耗,所以将会呈现一个逐步衰减的正弦波输出。

 


        LC振荡电路利用该原理,无磁水表通过检测该正弦波衰减过程来实现水表计量。在下图右边部分的电路中,圆盘代表水表的表盘转子,深色区域表示金属表盘区,白色区域表示为非金属表盘区,L为固定的电感线圈。

 

        当对该LC电路充电后,MCU通过检测固定电容C两端的电压,可以获得LC振荡电路中的正弦波。当电感线圈处于金属区,会形成电感涡流,导致更大的电能消耗,正弦波衰减速度更快;当电感线圈处于非金属区,基本不存在涡流,正弦波衰减速度相对较慢。通过MCU来检测正弦波衰减的快慢,可以准确识别出表盘转子处于哪个区域,进而判断表盘位置及圈数,达到水表计量的目的。

LC振荡电路及水表计量无磁检测示意图


        无磁检测是通过两个LC振荡电路组成的传感器来实现的,下图列出了表盘转动过程中对应LC振荡的正弦波衰减变化过程图。

 

转子状态A、B、C、D对应衰减波形 

 

        通过分析,得到Sensor1/Sensor2状态在转子转动过程中在A(0/1)->B(0/0)->C(1/0)->D(1/1)->A(0/1)->B(0/0)->C(1/0)……中循环出现,我们通过检测Sensor1/Sensor2的正弦波衰减趋势获取对应状态,再通过不同的组合状态(A:快/慢 B:快/快 C:慢/快 D:慢/慢),进而获得水表的位置并计算出转速。 用低电平表示衰减较快,高电平表示衰减较慢,得到下列关系:

 



无磁水表方案介绍

 

        方案采用Silicon Labs公司的MCU EFM32TG11B340F64GQ64为主平台,利用MCU内部的Low Energy Sensor模块实现无磁检测;LDO采用Microchip公司的超低功耗LDO MCP1711;Microchip公司的EEPROM 24LC16用于存储数据信息;水表阀门开关控制采用三极管实现的分离驱动电路来驱动BDC阀门实现;数据采集通过UART来实现与抄表模块通讯,用户可以采用NB-IoT/Sub-G/蓝牙等方式来实现远程数据采集。

 

无磁水表方案框图

 


 

MCU平台介绍及方案原理

 

        EFM32TG11B340F64GQ64是基于ARM Cortex-M0+核 MCU,而Low Energer Sensor模块可以实现电容/电感/电量变化检测及唤醒机制;抗干扰性强,性能稳定。在无磁水表产品中,无磁检测与低功耗设计是难点,而MCU内部的Low Energer Sensor模块既为无磁检测简化了算法,也降低了系统功耗,同时该芯片又高度集成各种外设,使无磁水表设计实现高集成度,缩小体积,降低成本,产品更具市场竞争力。

 

        Silicon Labs MCU 开发环境Simplicity Studio支持多种标准C编译器Keil/IAR/Hi-teck等,采用可配置化编程工具Simplicity Configurators,灵活方便,适合新用户快速入手。

EFM32TG11Bxxx内部框图



ARM Cortex-M0+ CPU 平台

        • 高性能 32 位处理器(最高 48 MHz)
        • 内存保护单元
        • 唤醒中断控制器

 

32 位MCU技术特点 

        • 极低的活动模式功耗
        • 减少处理时间
        • 快速的唤醒时间
        • 超低的待机电流
        • 外设自主操作
        • PRS — 周边反射系统
        • 设计良好的能耗模式
        • 极其节能外围设备
        • LESENSE — 低能耗传感器接口
        • Simplicity Studio 软件


Low Energer Sensor

 
        Low Energer Sensor在Silicon Labs的高性能32bit MCU中作为一个标准外设,从ARM Cortex-M0+到M3/M4系列中都存在。它是将几种不同已存在的其它外设进行组合配置而形成的的测量传感器,可用于测量电感/电容/电量等的变化,它将模拟比较器采集的模拟数据与通过高精度DAC生成的参考电压进行比较,通过比较翻转逻辑来判断输入电压与参考电压的高低,输出结果为翻转次数,这些结果将存储在设定区域中,并通过预设的时序逻辑处理,计数处理,从而通过多次结果分析来判断所采样的模拟波形变化情况。


        借助于Low Energer Sensor,当 EFM32TG11Bxxx 处于 EM2(深睡眠模式)时,可自动处理使用模拟比较器、DAC 和计数器的几乎所有传感器接口任务。只有在传感器读数改变并且达到触发阈值,或者需要更高级别的校准时,才需要唤醒至 EM0(运行模式),大大简化产品的低功耗设计要求。在EM2模式下,MCU电流参数为1.54μA左右。

Low Energer Sensor模块框图


 

方案其他功能模块

  

        • LCD驱动(可选):LCD驱动器能够驱动多达8x32段分段LCD显示。电压升压功能使它能够提供比电源电压高的LCD驱动电源。还提供一个专用的电荷再分配驱动器可以减少40%LCD驱动供电电流。此外,支持动画功能,可以在LCD上运行自定义动画,且无需任何CPU干预。ž          
        • 双串口通讯:可以实现与上位机通讯及外加抄表模块/通讯模块等,使用灵活,还提供一个Low Energy UART,可在32.76K时钟下工作在9600bps波特率,提高效率降低功耗。ž          
        • 其他功能:PWM驱动高效实现电机的开合;12bitADC实现电池电量检测及电机过流保护等。 

 


 

方案配套器件


        • MCP1711(LDO):采用美国微芯科技公司(Micorchip  Technology)超低功耗LDO MCP1711,静态功耗达600 nA,输入范围1.4-6.0V,高输出精度±20 mV(1%),可以有助于实现内部参考源的稳定性及精度,提高产品无磁检测精度。
        • 24LC16(EEPROM):由美国微芯科技公司(Micorchip  Technology)提供的EEPROM24LC16,采用IIC接口通讯,擦写次数多,速度快,超低功耗(休眠电流1uA),稳定性高,大大提高整个产品的性能。