基于GP21+EFM32 的超低功耗超聲波熱量表設計

隨著(zhù)生活質(zhì)量的提高人們對于居住舒適度的要求，我國北方地區的樓宇建設都將普遍推廣熱量表到戶(hù)，用于冬天的暖氣供應。自從2009 年起，我國北方進(jìn)行了供熱改革，至今已卓見(jiàn)成效。預計未來(lái)幾年按熱量計費將是北方供暖改革的重要方向。而熱量表更是供熱系統中的關(guān)鍵部件，它負責熱量的計算、記錄和數據傳送工作。超聲波熱量表由于其測量方式無(wú)接觸部件，且具有低壓降、低能量消耗、測量精度高的優(yōu)勢，所以它正在逐漸取代機械式的熱量表，成為北方供熱供暖計量方案的首選。

基于Energymicro 公司的32 位Cortex-M3 內核的超低功耗微控制器EFM32 與ACAM公司的高集成度TDC-GP21 芯片推出的超聲波熱量表方案，能夠充分發(fā)揮EFM32 的超低功耗與高運算能力的特點(diǎn)及GP21 高精度的測量能力，它將成為超聲波熱量表方案中的最優(yōu)之選。

系統框架

圖1 所示，超聲波熱量表包括超低功耗微控制器EFM32TG840F32、時(shí)間數字轉換器TDC-GP21（熱敏電阻PT1000、超聲波換能器）、LCD 顯示液晶屏、操作按鍵、紅外通信電路及MBUS 通信電路。整個(gè)系統由3.6V 鋰電池供電，考慮到TDC-GP21 的供電電壓將電壓轉換為3.3V。

圖1 超聲波熱量表方案框圖

硬件設計

1、主控及顯示部分

超聲波主控MCU 采用EFM32TG840F32，它是基于A(yíng)RM 公司的32 位Cortex-M3 內核設計而來(lái)，對比于傳統的8 位、16 位單片機，它具有更高的運算和數據處理能力，更高的代碼密度，更低的功耗。實(shí)際數據顯示，EFM32TG840 在執行32 位乘法運算僅需4 個(gè)內核時(shí)鐘周期，32 位除法運算僅需8 個(gè)內核時(shí)鐘周期，而相應熱表上運用的16 位單片機卻分別需要50 和465 個(gè)時(shí)鐘周期。而恰恰在時(shí)間數據轉換芯片TDC-GP21 上采集得到的數據均是32 位長(cháng)度，因此在運算和熱量計算時(shí)均是32 位的數據運算?？梢?jiàn)，采用EFM32TG840 可以讓超聲波熱量表有更好的運算性能，從而使得整機可以縮短處在運行計算狀態(tài)狀態(tài)，達到降低運行功耗的效果。

EFM32TG840 具有EM0-EM4 共5 種低功耗模式。在EM2 的低功耗模式下，微控制器仍可實(shí)現RTC 運行，LEUART、LETIMER 及LESENSE 的通信或控制功能，而功耗僅需900你A。而且它具有靈活的喚醒方式和自主工作的PRS 系統，可以由外部I/O、I2C 通信接口、LEUART 通信信號等等方式喚醒。

EFM32TG840 集成了8×20 段的LCD 驅動(dòng)器，滿(mǎn)足直接驅動(dòng)超聲波液晶屏的段式液晶屏，而功耗僅為550nA。EFM32TG840 的LCD 驅動(dòng)器內部集成電壓升壓功能和對比度調節功能，可實(shí)現在芯片內部VCMP 電壓比較器監控VDD 電壓，分等級開(kāi)啟LCD 升壓及對比度調節，達到LCD 的現象效果良好，即使系統電池隨著(zhù)使用時(shí)間增加出現電壓跌落現象。

圖2 主控MCU 及顯示電路

EFM32TG840 的I/O 可以設置為低功耗模式喚醒及GPIO 中斷模式，因此外部操作按鈕可以在低功耗條件下實(shí)現交互控制動(dòng)作。

2、TDC-GP21 超聲波采集部分

TDC-GP21 是德國ACAM 公司在2011 年11 月底推出的新一代專(zhuān)門(mén)針對超聲波熱量表檢測計量所用的數字時(shí)間轉換器。TDC-GP21 芯片采用QFN32 封裝，除了具備TDC-GP2的功能外，還額外集成了超聲波熱量表所需要的信號處理模擬部分，例如模擬開(kāi)關(guān)以及低噪聲斬波穩定（自動(dòng)進(jìn)行溫度電壓校正）模擬信號比較器。TDC-GP21 溫度部分集成了施密特觸發(fā)器，可直接接上溫度傳感器和參考電阻，就可以進(jìn)行高精度的測量，測量的性能遠遠超過(guò)熱量表所需的要求。7x32bit 的EEPROM 單元，可用于存儲熱量表整表的ID 信息及配置寄存器信息。

TDC-GP21 需要兩個(gè)供電電壓，分別是核心電壓VCC 和I/O 電壓Vio，在本方案中采用了ACAM 推薦的兩個(gè)供電電壓使用相同的電壓源進(jìn)行供電，并增加去耦雙通道濾波電路以達到降低系統噪聲的效果。其他部分電路例如換能器、PTC 電阻的連接以及晶體的接法均采用原廠(chǎng)提供的官方參考電路進(jìn)行搭建。在時(shí)鐘方面TDC-GP21 將輸出32.768KHz 時(shí)鐘，為EFM32TG840F32 提供低頻時(shí)鐘，可節省主控MCU 的低頻晶振。

圖3 TDC-GP21 電路圖

3、MBUS 通信部分

超聲波熱量表通過(guò)MBUS（Meter Bus）總線(xiàn)通信進(jìn)行自動(dòng)抄表?，F場(chǎng)的熱量表可通過(guò)MBUS 將數據上傳到集中器，然后由集中器或再上一級集中器將數據通過(guò)以太網(wǎng)或無(wú)線(xiàn)GPRS 通信模塊將數據傳輸的供暖中心的后臺，進(jìn)行計費及管理。本方案中采用TI 公司的MBUS 芯片為T(mén)SS721A。TSS721A 是一種用于儀表總線(xiàn)的收發(fā)器集成芯片，其內含接口電路可以調節儀表總線(xiàn)結構中主從機之間的電平，同時(shí)該收發(fā)器可由總線(xiàn)供電，對從機不增加功率需求，總線(xiàn)可無(wú)極性連接。TSS721A 的連接電路如圖4 所示。

圖4 TSS721A 連接電路

4、紅外通信部分

根據《CJ/T 188-2004》技術(shù)規范文檔，超聲波熱量表紅外通信采用38KHz 的載波對通信數據進(jìn)行調制且有效通信距離大于2m，選用波長(cháng)為940nm 的紅外發(fā)射管與接收管。供熱管理人員可以使用手持紅外抄表設備對超聲波熱量表進(jìn)行抄表。紅外通信電路如圖5 所示。

圖5 紅外通信電路

軟件設計

超聲波熱量表方案的軟件部分可以劃分為3 個(gè)部分：TDC-GP21 的檢測計量部分、紅外及MBUS 的抄表通信部分、按鍵液晶屏的顯示交互部分。

針對TDC-GP21 的檢測計量軟件部分可參考ACAM 官方提供技術(shù)文檔，它提供了TDC-GP21 在單次采集的軟件配置及實(shí)現過(guò)程。熱量表通過(guò)計算超聲波上游和下游的時(shí)間差，進(jìn)而通過(guò)公式計算得到流量，然后通過(guò)對PT1000 的測量和計算可以采集得到進(jìn)水口熱水與出水口冷水的溫度差。最終通過(guò)熱量熵積分Q=cmΔt，計算得到熱量的值。而在實(shí)際采集當中，為了更精確的熱量計算值，軟件設計者可對非線(xiàn)性參數增加相應的補償處理。

對于熱量表的通信抄表部分的軟件設計，軟件設計者在實(shí)現的紅外與MBUS 的底層串行通信后，可參考《CJ 188-2004 戶(hù)用計量?jì)x表數據傳輸技術(shù)條件》上所要求的抄表命令、抄表通信數據幀格式、抄表應答數據要求進(jìn)行相應的軟件編寫(xiě)。

熱量表的人機交互軟件部分主要是根據用戶(hù)的按鍵操作實(shí)現對應的查詢(xún)數據的顯示。對于EFM32TG840 的液晶屏控制器底層驅動(dòng)，軟件設計者控制起來(lái)非常方便，在執行完LCD控制器的初始化后，向對應的SEG 段寄存器操作對應的數據位，即可將液晶屏上對應的段碼點(diǎn)亮顯示。綜合段碼顯示內容及用戶(hù)操作即可實(shí)現交互部分的軟件設計。

方案優(yōu)勢

基于EFM32TG840 與TDC-GP21 實(shí)現的超聲波熱量表方案具有的優(yōu)勢包括：

1、相對于傳統的8 位、16 位單片機，EFM32TG840 以Cortex-M3 為內核，具有更強運算處理能力，使整表的性能得到提升；

2、EFM32TG840 與TDC-GP21 均具有低功耗的優(yōu)勢，綜合使得整機的功耗更低，增長(cháng)熱量表的電池壽命，間接降低了整表對于電池的需求成本；

3、EFM32TG840 集成了LCD 控制器、RTC，以及它的Flash 可用于數據存儲功能，使得整體方案的外圍元件減少，降低方案成本。

總結

綜述上文，以EFM32TG840 為主控MCU，TDC-GP21 為關(guān)鍵檢測元器件而設計的超聲波熱量表，充分地發(fā)揮了EFM32TG840 的高性能、低功耗、良好集成度的特點(diǎn)，結合了數字時(shí)間轉換器TDC-GP21 的高精度、低功耗的優(yōu)勢，使得它將成為供暖系統熱計量部分的最佳選擇。