測試測量設計實(shí)例（一）

　　決定水表計量精度主要有兩個(gè)主要因素：

　?。保畟鞲衅鳒蚀_感應基表葉輪轉過(guò)的圈數

　?。玻恳蝗α鬟^(guò)的水量

　　由于采用磁阻檢測計量，減少了傳統電子水表必需的多個(gè)計數齒輪，簡(jiǎn)化了機械運動(dòng)部件的設計，減小了葉輪的負載，對小流速水流提高了檢測靈敏度，提升了水表始動(dòng)流量檢測的性能；A，B輸出連續的波形，根據相位差最小可以檢測到葉輪1/8周的轉動(dòng)，并依據特定相位差的時(shí)間序列可以用于水流方向的檢測和計量，對于葉輪抖動(dòng)或其它因素造成的異常時(shí)間序列可以予以篩除，提高了圈數統計的準確性，特別是小水流情況下的測量精準度。

　　一般來(lái)說(shuō)，水表在不同流速下的誤差是不同的（高流速誤差小、低流速誤差大），該方案由于可以測量水表當前的流速，可以通過(guò)對不同流速的誤差進(jìn)行軟件修正和補償，由于涉水部分機械運動(dòng)部件簡(jiǎn)單，測量的重復性好，配合計量標定過(guò)程，在機械結構基本不變的前提下，大大提高了水表水量檢測的準確度等級。

　　另外方案還可以支持多種滴漏，水流反向等檢測功能，為遠程控制提供了必要的技術(shù)手段。

　　系統簡(jiǎn)單，高度集成，外圍器件少，可靠性提高

　　除了傳統的機械部分外，系統主要的元器件為專(zhuān)用處理芯片S1C17M01和AMR傳感器芯片。專(zhuān)為流量檢測設計的S1C17M01 內部集成AMR控制器，包括模擬前端（AFE），帶磁滯功能的比較器，相位/圈數計數器等功能電路，可以直接連接AMR傳感器毫伏級輸出，減少了以往多個(gè)外圍分離器件；豐富的周邊電路包括128段液晶驅動(dòng)器，定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、低電壓檢測，R/F轉換器，多種串行接口等，可以方便的連接段碼液晶，溫度傳感器，外部存儲，通信模塊等器件。

　　因為采用非接觸的磁場(chǎng)檢測技術(shù)，避免了傳統機械/磁簧開(kāi)關(guān)使用壽命和抗震動(dòng)和碰撞的問(wèn)題；將兩個(gè)全橋磁阻電路集成于一體，避免的分離模式下器件組裝的一致性問(wèn)題；采用普通的鐵氧體材料的磁鐵，使用壽命得到了保證等等，所有這些都大大提高了系統設計的可靠性和穩定性，同時(shí)也降低了開(kāi)發(fā)和制造成本。

　　極低的系統功耗和電源管理更適合電池供電系統

　　不同與電表的設計，水表往往因為環(huán)境的限制，無(wú)法采用有源供電的方式。如何降低整機功耗，使用盡可能小的電池保證6－8年的使用壽命也一直困擾著(zhù)水表的設計者。憑借著(zhù)多年在低功耗產(chǎn)品設計積累的技術(shù)和經(jīng)驗，EPSOＮ從一開(kāi)始就關(guān)注方案整體的功耗，特別設計的專(zhuān)用處理器和選擇的低功耗傳感器，使系統整體工作電流在40rps轉速的情況下僅為6.5uA， 無(wú)水流時(shí)系統工作電流更低至2uA（包括傳感器功耗在內），

　　在保證水表使用壽命的前提下，設計者可以采用更小更低成本的電池。

　　完整的設計支持

　　處理提供元器件方案外，EPSON還提供完整的流量檢測軟硬件參考設計。包括累計流量，瞬間流量，過(guò)大流量檢測，逆流檢測，滴漏檢測，未使用檢測，電壓檢測，脈沖輸出等基本功能，用戶(hù)簡(jiǎn)單設置幾個(gè)參數就可以完成，并可以以此為基礎定制出更多更復雜的計量功能。

　　該方案還可以應用于其他流量檢測的場(chǎng)合，例如氣表、熱量表中。如果對該方案感興趣，需要更詳細的產(chǎn)品和方案信息，請聯(lián)系EPSON各地分公司電子元器件部門(mén)。

基于GP21+EFM32的超低功耗超聲波熱量表#e#

三、基于GP21+EFM32的超低功耗超聲波熱量表

　　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（點(diǎn)擊查看大圖）

　　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（點(diǎn)擊查看大圖）

　　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