節能、高效、抗干擾，全新無(wú)磁水表方案

作者 / 貝能?chē)H有限公司

摘要：本文基于Silicon Labs公司EFM32xx系列MCU內部集成的Low Energer Sensor外設基礎上方便實(shí)現無(wú)磁水表計量技術(shù)方案來(lái)做探討。除水表外，氣表、熱表采用這種計量方式也同樣可行。

　　隨著(zhù)時(shí)代發(fā)展，智能水表替代部分傳統機械水表，得到廣泛應用。而智能水表的計量方式也隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越多樣化，如機械表頭檢測、超聲波檢測、有磁檢測等方式相繼問(wèn)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為永磁體對水中雜質(zhì)的累計吸附，造成計量誤差或被人為利用、漏計及不計。在這種情況下，無(wú)磁計量水表以其計量精度高、無(wú)磁性、無(wú)雜質(zhì)吸附，且不被人為干擾等優(yōu)點(diǎn)，被廣大水表廠(chǎng)家所青睞，市場(chǎng)前景廣闊。

1 無(wú)磁檢測原理簡(jiǎn)介

　　無(wú)磁水表的基礎原理是LC振蕩傳感器，在該電路中，通過(guò)開(kāi)關(guān)K調整，可以在LC電路上實(shí)現一個(gè)正弦波輸出電路，通過(guò)K對電容C充電，充滿(mǎn)后，將K與電感L連通，電容的電量將通過(guò)L放電，由于存在電感L的電能消耗，所以將會(huì )呈現一個(gè)逐步衰減的正弦波輸出。

　　利用該原理，無(wú)磁水表通過(guò)檢測該正弦波衰減過(guò)程來(lái)實(shí)現水表計量。在圖1右邊部分的電路中，圓盤(pán)代表水表的表盤(pán)轉子，深色區域表示金屬表盤(pán)區，白色區域表示為非金屬表盤(pán)區，L為固定的電感線(xiàn)圈。

　　當對該LC電路充電后，MCU通過(guò)檢測固定電容C兩端的電壓，可以獲得LC振蕩電路中的正弦波。當電感線(xiàn)圈處于金屬區，會(huì )形成電感渦流，導致更大的電能消耗，正弦波衰減速度更快;當電感線(xiàn)圈處于非金屬區，基本不存在渦流，正弦波衰減速度相對較慢。通過(guò)MCU來(lái)檢測正弦波衰減的快慢，可以準確識別出表盤(pán)轉子處于哪個(gè)區域，進(jìn)而判斷表盤(pán)位置及圈數，達到水表計量的目的。

　　無(wú)磁檢測是通過(guò)兩個(gè)LC振蕩電路組成的傳感器來(lái)實(shí)現的，圖2、3列出了表盤(pán)轉動(dòng)過(guò)程中對應LC振蕩的正弦波衰減變化過(guò)程圖。

　　通過(guò)分析，得到傳感器1/傳感器2狀態(tài)在轉子轉動(dòng)過(guò)程中，在A(yíng)(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，我們通過(guò)檢測傳感器1/傳感器2的正弦波衰減趨勢獲取對應狀態(tài)，再通過(guò)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算出轉速。

　　用低電平表示衰減較快，高電平表示衰減較慢，得到圖4關(guān)系。那么關(guān)鍵問(wèn)題是，MCU如何更有效檢測傳感器1與傳感器2的狀態(tài)，并使這個(gè)過(guò)程更簡(jiǎn)單更快速，又更低功耗呢?Silicon Labs公司的 32 bit MCU內置Low Energy Sensor模塊，提供了一個(gè)量身定制用于無(wú)磁檢測計量的方案。

2 無(wú)磁水表方案介紹

　　方案采用Silicon Labs公司的MCU EFM32TG11B340F64GQ64為主平臺，利用MCU內部的Low Energy Sensor模塊實(shí)現無(wú)磁檢測;LDO采用Microchip公司的超低功耗LDO MCP1711;Microchip公司的EEPROM 24LC16用于存儲數據信息;水表閥門(mén)開(kāi)關(guān)控制采用三極管實(shí)現的分離驅動(dòng)電路來(lái)驅動(dòng)BDC閥門(mén)實(shí)現;數據采集通過(guò)UART來(lái)實(shí)現與抄表模塊通訊，用戶(hù)可以采用NB-IoT/Sub-G/藍牙等方式來(lái)實(shí)現遠程數據采集，如圖5。

3 MCU平臺介紹及方案框圖

　　EFM32TG11B340F64GQ64是基于A(yíng)RM Cortex-M0+核 MCU，采用最新90 nm新工藝設計，工作頻率可達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(mǎn)足各種功耗設計需求;32 KB的Flash空間，4 KB SRAM;豐富的外設為集成化設計提供了便利，內部集成可選的超低功耗LCD驅動(dòng)達8×20段位;集成內部比較器/運放，12 bit ADC及12 bit 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)隨機數;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)現電容/電感/電量變化檢測及喚醒機制;抗干擾性強，性能穩定。

　　在無(wú)磁水表產(chǎn)品中，無(wú)磁檢測與低功耗設計是難點(diǎn)，而MCU內部的Low Energer Sensor模塊既為無(wú)磁檢測簡(jiǎn)化了算法，也降低了系統功耗，同時(shí)該芯片又高度集成各種外設，使無(wú)磁水表設計實(shí)現高集成度，縮小體積，降低成本，產(chǎn)品更具市場(chǎng)競爭力。

　　Silicon Labs MCU 開(kāi)發(fā)環(huán)境Simplicity Studio支持多種標準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(hù)快速入手。

3.1 Low Energer Sensor介紹

　　Low Energer Sensor在Silicon Labs的高性能32 bit MCU中作為一個(gè)標準外設，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進(jìn)行組合配置而形成的的測量傳感器，可用于測量電感/電容/電量等的變化，它將模擬比較器采集的模擬數據與通過(guò)高精度DAC生成的參考電壓進(jìn)行比較，通過(guò)比較翻轉邏輯來(lái)判斷輸入電壓與參考電壓的高低，輸出結果為翻轉次數，這些結果將存儲在設定區域中，并通過(guò)預設的時(shí)序邏輯處理，計數處理，從而通過(guò)多次結果分析來(lái)判斷所采樣的模擬波形變化情況。

　　借助于Low Energer Sensor，當 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 和計數器的幾乎所有傳感器接口任務(wù)。只有在傳感器讀數改變并且達到觸發(fā)閾值，或者需要更高級別的校準時(shí)，才需要喚醒至 EM0(運行模式)，大大簡(jiǎn)化產(chǎn)品的低功耗設計要求。在EM2模式下，MCU電流參數為1.54μA左右。

3.2 Low Energer Sensor無(wú)磁檢測的實(shí)現

　　在給LC電路充電后，斷開(kāi)充電電路，LC電路的振蕩有一個(gè)穩定過(guò)程，這個(gè)過(guò)程在檢測算法中需要一個(gè)Delay延時(shí)來(lái)規避檢測，防止誤判。

3.2.1 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(kāi)關(guān)對電容充電，定時(shí)斷開(kāi)。

3.2.2 延時(shí)

　　在剛充電到一段時(shí)間內，正弦波衰減是很緩慢的，這就需要一段延時(shí)，等待有規律的衰減期到來(lái)，這段延時(shí)是根據LC參數及電感渦流大小來(lái)調整的，需要通過(guò)實(shí)驗測試得到合適的值，如圖6所示。

3.2.3 檢測

　　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，從而判斷傳感器1與傳感器2的狀態(tài)得到轉子位置。因為接收到的是正弦波，所以L(fǎng)ow Energer Sensor通過(guò)比較器來(lái)測量，并通過(guò)調整比較器參考電壓的方法來(lái)判斷衰減情況，如圖7所示。

　　圖中紅色基準線(xiàn)為通過(guò)DAC調整的參考電壓點(diǎn)，該參考點(diǎn)可按實(shí)際參數來(lái)通過(guò)DAC調整輸出從而調整該參考點(diǎn)的?？梢钥吹?，調整到合適的參考點(diǎn)，處于金屬區的傳感器因為衰減較快，所以很快電壓處于基準線(xiàn)以下，所對應比較器翻轉次數就少;而處于非金屬區的傳感器，因為衰減較慢，電壓衰減到基準線(xiàn)以下的時(shí)間相對較長(cháng)，所對應的比較器翻轉次數就多。

　　一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是：無(wú)磁檢測表面上對磁性干擾是不影響的，但是實(shí)際在強磁干擾下，磁場(chǎng)會(huì )改變正弦波的衰減波形，造成計量的誤差甚至誤計/不計。這時(shí)候我們需要通過(guò)檢測狀態(tài)變化的時(shí)序是否改變來(lái)判斷是否收到干擾，并且通過(guò)改變DAC的輸出改變參考電壓，從而達到抵消外部干擾的目的，做到真正的無(wú)磁抗干擾的效果。

3.2.4 處理

　　將本次獲得的轉子位置存儲，并與上次獲得位置進(jìn)行分析，符合順轉或者逆轉邏輯為合理，一旦不符合變化邏輯，則為無(wú)效計量，需要排查或者重新啟動(dòng)檢測。

　　Low Energer Sensor對以上步驟，通過(guò)軟件設置即可以實(shí)現，無(wú)需客戶(hù)自行通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現組合外設及控制邏輯，并且在測量完成后自動(dòng)進(jìn)入IDIE模式，大大提高效率降低功耗。

3.3 其他功能應用

　　? LCD驅動(dòng)(可選)：LCD驅動(dòng)器能夠驅動(dòng)多達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驅動(dòng)電源。還提供一個(gè)專(zhuān)用的電荷再分配驅動(dòng)器可以減少40%LCD驅動(dòng)供電電流。此外，支持動(dòng)畫(huà)功能，可以在LCD上運行自定義動(dòng)畫(huà)，且無(wú)需任何CPU干預。

　　? 雙串口通訊：可以實(shí)現與上位機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32.76 K時(shí)鐘下工作在9600 bps波特率，提高效率降低功耗。

　　? 其他功能：PWM驅動(dòng)高效實(shí)現電機的開(kāi)合;12 bitADC實(shí)現電池電量檢測及電機過(guò)流保護等。

3.4 方案配套器件

　　? MCP1711(LDO)：采用美國微芯科技公司(Micorchip Technology)超低功耗LDO MCP1711，靜態(tài)功耗達600 nA，輸入范圍1.4~6.0 V，高輸出精度±20 mV(1%)，可以有助于實(shí)現內部參考源的穩定性及精度，提高產(chǎn)品無(wú)磁檢測精度。

　　? 24LC16(EEPROM)：由美國微芯科技公司(Micorchip Technology)提供的EEPROM24LC16，采用IIC接口通訊，擦寫(xiě)次數多，速度快，超低功耗(休眠電流1uA)，穩定性高，大大提高整個(gè)產(chǎn)品的性能。

4 全新無(wú)磁水表方案優(yōu)勢

　　Silicon Labs公司高性能高穩定性MCU EFM32TG11xxx，以高度集成的外設，實(shí)現低成本低功耗單一芯片的無(wú)磁水表方案，與目前市場(chǎng)上無(wú)磁方案相比，該方案在功耗、集成度、成本、性能等方面具有優(yōu)勢。隨著(zhù)無(wú)磁水表市場(chǎng)的推進(jìn)，此方案未來(lái)將成為市場(chǎng)主導方案之一。

　　貝能?chē)H有限公司致力表類(lèi)產(chǎn)品智能化、全電子化方向快速發(fā)展，強力推出該新型無(wú)磁水表方案。該方案具有節能的外圍設備和能耗模式，可以實(shí)現高功能、低功耗的系統設計，設計靈活，大大降低無(wú)磁檢測技術(shù)難度及功耗，同時(shí)適用氣表、熱表等其他表計方案設計需求。

　　為配套客戶(hù)需求，貝能?chē)H同步提供Silicon Labs MCU開(kāi)發(fā)平臺、無(wú)磁檢測算法、硬件設計評估、軟件算法指導及其他支持，為開(kāi)發(fā)人員提供出色的設計靈活性，幫助客戶(hù)快速準確地實(shí)現產(chǎn)品的設計及量產(chǎn)。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第4期第73頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。