解讀GP21+EFM32低功耗熱量表電路——電路圖天天讀（106）

　　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。

　　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。

　　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&TImes;20段的LCD驅動(dòng)器，滿(mǎn)足直接驅動(dòng)超聲波熱量表液晶屏的需求，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。

　　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。

　　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

　　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

電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點(diǎn)評分析：

　　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?？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。
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