EFM32應用方案——電磁流量計

概述

電磁流量計是一種測量導電介質(zhì)體積流量的計量?jì)x表，具有測量精度高、穩定性好、可靠性高等特點(diǎn)。電磁流量計除可測量一般導電液體的流量外，還可測量液固兩相液體、高粘度液體及鹽類(lèi)、強酸、強堿液體的體積流量，可廣泛應用于水泥、化工、輕紡、冶金、礦山、造紙、醫藥、給排水、食品飲料、環(huán)保等工業(yè)技術(shù)部門(mén)，其產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和可靠性對上述企業(yè)的經(jīng)濟效益有著(zhù)重要的影響。

傳統電磁流量計一般采用8位或16位的單片機，單片機處理性能較弱和外圍接口少，同時(shí)不合適做低功耗設計；針對用電池供電的電磁流量計，系統需使用低功耗、高處理性的32 位處理器，為此以下將詳細闡述基于EFM32的電池供電的電磁流量計方案。

電磁檢測原理

電磁流量計的工作原理是基于法拉第電磁感應定律。在電磁流量計中，測量管內的導電介質(zhì)相當于法拉第試驗中的導電金屬桿，上下兩端的兩個(gè)電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。當有導電介質(zhì)流過(guò)時(shí)，則會(huì )產(chǎn)生感應電壓，工作原理如圖1所示。管道內部的兩個(gè)電極測量產(chǎn)生的感應電壓。測量管道通過(guò)不導電的內襯（橡膠，特氟隆等）實(shí)現與流體和測量電極的電磁隔離。

圖1 電磁流量計原理圖

B－磁通密度；D－測量管內徑；V－流量信號（電動(dòng)勢）；U－液體平均軸向流速；則

根據法拉第電磁感應定律，感應電壓強度可用下面的簡(jiǎn)式表達： V=kBLeU。

在圓形管道中，體積流量是：

由上式可見(jiàn)，體積流量qv與感應電動(dòng)勢v和測量管內徑D成線(xiàn)性關(guān)系，與磁場(chǎng)的磁感應強度B成反比，與其它物理參數無(wú)關(guān)。這就是電磁流量計測量導電液體體積流量的原理。

系統框架

基于EFM32的電磁流量計主要包括微控制器、流量傳感器、系統電源、信號調理電路，共4個(gè)部分，系統框圖如圖2所示。

圖2 電磁流量計系統框架

微控制器

電磁流量計的主控MCU可以選取帶LCD驅動(dòng)能力的EFM32TG840F32或EFM32G840F128，由于EFM32的產(chǎn)品各系列之間對應型號引腳直接兼容，用戶(hù)可根據實(shí)際項目功能需求進(jìn)行功能裁剪或升級。主控MCU通過(guò)DA輸出勵磁信號驅動(dòng)流量傳感器的勵磁線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，并負責采集與處理流量傳感器輸出的感應電動(dòng)勢，同時(shí)可控制按鍵、顯示等人機界面；勵磁信號可采用三值低頻方波勵磁形式，如圖3所示；

圖 3 勵磁信號波形

流量傳感器

電磁流量計的主要特點(diǎn)：傳感器結構簡(jiǎn)單，沒(méi)有機械轉動(dòng)測量部件；在測量過(guò)程中，不受被測介質(zhì)溫度、粘度、密度以及電導率（在一定范圍內）的影響；量程范圍極寬，并只與被測介質(zhì)的平均流速成正比，而與軸對稱(chēng)分布下的流動(dòng)狀態(tài)（層流、湍流）無(wú)關(guān)，而且反應靈敏，線(xiàn)性好。

系統電源

電磁流量計為電池供電，EFM32的工作電壓為1.85~3.8V，工作電壓范圍比較寬，在一些3.6V的電池供電系統中無(wú)需前端添加LDO芯片。

方案優(yōu)勢

相對于傳統的8位、16位單片機實(shí)現的電磁流量計，基于EFM32實(shí)現的本方案具有以下優(yōu)勢：

超低功耗

EFM32是全球最低功耗的32位微控制器，RTC、DMA可運行的EM2模式下，功耗電流僅為900nA，不運行RTC的模式下可低至600nA，而在不保存RAM數據時(shí)更是只有20nA。同時(shí)，片上更是集成了低功耗外設：低功耗UART及I2C可運行于EM2模式下，可在CPU睡眠模式下實(shí)現數據的收發(fā)及數據識別喚醒。由于電磁流量計為電池供電，對功耗有一定的要求，在對功耗要求比較高的場(chǎng)合甚至可由EFM32控制各模塊的供電，最大限度的提高其待機時(shí)間，因此EFM32的低功耗具有明顯的優(yōu)勢。

降低成本

EFM32采用ARM公司的Cortex-M3內核設計，其運算性能優(yōu)異，支持硬件乘法器及除法器，支持ARM和Thumb2指令集，使程序代碼密度高，執行效率快。片上集成有AD、DA信號采集與輸出模塊。在顯示上，EFM32集成了最高達8*36段LCD驅動(dòng)，LG和GG系列可支持320*240的16位TFT的RGB驅動(dòng)，在帶顯示產(chǎn)品上可節省顯示驅動(dòng)IC。

后續EFR產(chǎn)品

Energy Micro后續會(huì )推出RF與MCU的SOC產(chǎn)品，在連續接收模式下只有4mA，在400MHz 0dBm的發(fā)送功率下5mA，10dBm時(shí)為14mA，最大輸出功率為17dBm。最大接收靈敏度為-121dBm 。傳輸速度可高達4Mbit/s。它對于實(shí)現無(wú)線(xiàn)抄表和數據遠傳功能的電磁流量計非常適合。

總結

EFM32具有優(yōu)異的低功耗特性，非常適合于對于用電池供電的電磁流量計應用。EFM32內核采用目前流行的Cortex-M3設計，極大地縮短了開(kāi)發(fā)者的開(kāi)發(fā)時(shí)間。EFM32具有豐富的外設，為系統擴展功能及降低成本提供了條件。因此，EFM32非常的適合于電磁流量計的應用。