基于 Silicon Labs MCU的新型無磁水表方案介紹

隨著時(shí)代發(fā)展，智能水表替代部分傳統(tǒng)機(jī)械水表，得到廣泛應(yīng)用。而智能水表的計(jì)量方式也隨著電子技術(shù)的發(fā)展越來越多樣化，機(jī)械表頭檢測(cè)，超聲波檢測(cè)，有磁檢測(cè)等方式相繼問世。但這些方式有明顯局限性：容易受外界電磁干擾或者因?yàn)橛来朋w對(duì)水中雜質(zhì)的累計(jì)吸附，造成計(jì)量誤差或被人為利用，造成漏計(jì)及不計(jì)。在這種情況下，無磁計(jì)量水表的優(yōu)勢(shì)顯著，其以計(jì)量精度高，無磁性，無雜質(zhì)吸附，不被人為干擾等優(yōu)點(diǎn)，被廣大水表廠家所青睞。

針對(duì)新型無磁水表的設(shè)計(jì)，Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）的代理商合作伙伴貝能國(guó)際撰寫了本篇文章，探討基于Silicon Labs的EFM32系列32位MCU 內(nèi)部集成的Low Energer Sensor 外設(shè)基礎(chǔ)上方便實(shí)現(xiàn)無磁水表計(jì)量技術(shù)方案。除水表外，氣表、熱表采用這種計(jì)量方式也非常可行。

無磁檢測(cè)原理簡(jiǎn)介

無磁水表的基礎(chǔ)原理是LC 振蕩傳感器，如下圖：

LC振蕩電路

在該電路中，通過開關(guān)K 調(diào)整，可以在LC 電路上實(shí)現(xiàn)一個(gè)正弦波輸出電路，通過K對(duì)電容C充電，充滿后，將K 與電感L 連通，電容的電量將通過L 放電，因?yàn)榇嬖陔姼?/span>L 的電能消耗，所以將會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)逐步衰減的正弦波輸出。

利用該原理，無磁水表通過檢測(cè)該正弦波衰減過程來實(shí)現(xiàn)水表計(jì)量的。在下圖右邊部分的電路中，圓盤代表水表的表盤轉(zhuǎn)子，深色區(qū)域表示金屬表盤區(qū)，白色區(qū)域表示為非金屬表盤區(qū)，L 為固定的電感線圈。當(dāng)對(duì)該 LC 電路充電后，MCU 通過檢測(cè)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(dāng)電感線圈處于金屬區(qū)，會(huì)形成電感渦流，導(dǎo)致更大的電能消耗，正弦波衰減速度更快；當(dāng)電感線圈處于非金屬區(qū)，基本不存在渦流，正弦波衰減速度相對(duì)較慢。通過MCU 來檢測(cè)正弦波衰減的快慢，可以準(zhǔn)確識(shí)別出表盤轉(zhuǎn)子處于哪個(gè)區(qū)域，進(jìn)而判斷表盤位置及圈數(shù)，達(dá)到水表計(jì)量的目的。

水表計(jì)量無磁檢測(cè)示意圖

無磁檢測(cè)是通過兩個(gè)LC 振蕩電路來實(shí)現(xiàn)的，下圖列出了表盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中對(duì)應(yīng)LC振蕩的正弦波衰減變化過程圖。

轉(zhuǎn)子狀態(tài)A 對(duì)應(yīng)衰減波形

轉(zhuǎn)子狀態(tài)B 對(duì)應(yīng)衰減波形

轉(zhuǎn)子狀態(tài)C 對(duì)應(yīng)衰減波形

轉(zhuǎn)子狀態(tài)D 對(duì)應(yīng)衰減波形

通過分析，得到Sensor1/Sensor2 狀態(tài)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中在A（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(xiàn)，我們通過檢測(cè)Sensor1/Sensor2的正弦波衰減趨勢(shì)獲取對(duì)應(yīng)狀態(tài)，再通過不同的組合狀態(tài)(A:快/慢 B:快/快 C:慢/快 D:慢/慢)，從而獲得水表的轉(zhuǎn)速。

用低電平表示衰減快，高電平表示衰減慢，得到下列關(guān)系：

傳感器檢測(cè)位置邏輯圖

那么關(guān)鍵問題是，MCU 如何更有效檢測(cè)Sensor1 與Sensor2 的狀態(tài)，并使這個(gè)過程更簡(jiǎn)單又更快速，更低功耗？SiliconLabs 公司 32bit MCU 內(nèi)置Low Energer Sensor 模塊，將為我們提供一個(gè)量身定制用于無磁檢測(cè)計(jì)量的方案。

MCU平臺(tái)介紹及方案框圖

SiliconLabs 公司高性能MCU EFM32TG11B340F64GQ64 是基于ARM Cortex-M0+核 MCU，采用最新90nm 新工藝設(shè)計(jì)，工作頻率可達(dá)48MHz；超低功耗，51 μA/MHz @ 3VSleep Mode，5 種低功耗模式可以靈活滿足各種功耗設(shè)計(jì)需求；32K 的Flash 空間，4K SRAM；豐富外設(shè)為集成化設(shè)計(jì)提供了便利，內(nèi)部集成可選的超低功耗LCD 驅(qū)動(dòng)達(dá)8*20 段位；集成內(nèi)部比較器/運(yùn)放，12bit ADC 及12bit 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(tǒng)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(jī)數(shù)；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(xiàn)電容/電感/電量變化檢測(cè)及喚醒機(jī)制；抗干擾性強(qiáng)，性能穩(wěn)定。

在無磁水表產(chǎn)品中，無磁檢測(cè)與低功耗設(shè)計(jì)是難點(diǎn)，而MCU 內(nèi)部的Low Energy Sensor模塊既為無磁檢測(cè)簡(jiǎn)化了算法，也降低了系統(tǒng)功耗，同時(shí)該芯片又高度集成各種外設(shè)，使無磁水表設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高集成度，縮小體積，降低成本，產(chǎn)品更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

SiliconLabs 開發(fā)環(huán)境Simplicity Studio 支持多種標(biāo)準(zhǔn)C 編譯器Keil/IAR/Hi-teck 等，采用可配置化編程工具SimplicityConfigurators，靈活方便，適合新用戶快速入手。

EFM32TG11Bxxx內(nèi)部框圖

該方案設(shè)計(jì)框圖如下：

無磁水表方案框圖

Low Energy Sensor介紹

LowEnerger Sensor 在Silicon Labs 的高性能32bit MCU 中作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，從ARMCortex-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(shè)進(jìn)行組合配置而形成的的測(cè)量傳感器，可用于測(cè)量電感/電容/電量等的變化，它將模擬比較器采集的模擬數(shù)據(jù)與通過高精度DAC 生成的參考電壓進(jìn)行比較，通過比較翻轉(zhuǎn)邏輯來判斷輸入電壓與參考電壓的高低，輸出結(jié)果為翻轉(zhuǎn)次數(shù)，這些結(jié)果將存儲(chǔ)在設(shè)定區(qū)域中，并通過預(yù)設(shè)的時(shí)序邏輯處理，計(jì)數(shù)處理，從而通過多次結(jié)果分析來判斷所采樣的模擬波形變化情況。

借助于Low Energer Sensor，當(dāng) 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(jì)數(shù)器的幾乎所有傳感器接口任務(wù)。只有在傳感器讀數(shù)改變并且達(dá)到觸發(fā)閾值，或者需要更高級(jí)別的校準(zhǔn)時(shí)，才需要喚醒至 EM0（運(yùn)行模式），大大簡(jiǎn)化產(chǎn)品的低功耗設(shè)計(jì)要求。在EM2模式下，MCU電流參數(shù)為1.54μA左右。

LowEnerger Sensor 模塊框圖

Low Energy Sensor無磁檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)

在給LC電路充電后，斷開充電電路，LC電路的振蕩有一個(gè)穩(wěn)定過程，這個(gè)過程在檢測(cè)算法中需要一個(gè)Delay延時(shí)來規(guī)避檢測(cè)，防止誤判。

1,充電：Low EnergerSensor給LC電路中電容C充電。充電時(shí)間很短，通DAC0-CHx開關(guān)對(duì)電容充電，定時(shí)斷開。

充電開關(guān)圖示

2，延時(shí)：在剛充電到一段時(shí)間內(nèi)，正弦波衰減是很緩慢的，這時(shí)候需要一段延時(shí)，等待有規(guī)律的衰減期到來，這段延時(shí)是根據(jù)LC參數(shù)及電感渦流大小來調(diào)整的，需要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到合適的值。

延時(shí)圖示

3，檢測(cè)：在延時(shí)之后，Low EnergerSensor需要判斷此時(shí)正弦波的的衰減速度，從而判斷Sensor1與Sensor2的狀態(tài)得到轉(zhuǎn)子位置。因?yàn)榻邮盏降氖钦也ǎ?/span>LowEnerger Sensor通過比較器來測(cè)量，并通過調(diào)整比較器參考電壓的方法來判斷衰減情況，如檢測(cè)圖示：圖中紅色基準(zhǔn)線為通過DAC調(diào)整的參考電壓點(diǎn)，該參考點(diǎn)可按實(shí)際參數(shù)來通過DAC調(diào)整輸出從而調(diào)整該參考點(diǎn)的。

可以看到，調(diào)整到合適的參考點(diǎn)，處于金屬區(qū)的Sensor因?yàn)樗p較快，所以很快電壓處于基準(zhǔn)線以下，所對(duì)應(yīng)比較器翻轉(zhuǎn)次數(shù)就少；而處于非金屬區(qū)的Sensor，因?yàn)樗p較慢，電壓衰減到基準(zhǔn)線以下的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，所對(duì)應(yīng)的比較器翻轉(zhuǎn)次數(shù)就多。

檢測(cè)圖示

4，處理：將本次獲得的轉(zhuǎn)子位置存儲(chǔ)，并與上次獲得位置進(jìn)行分析，符合順轉(zhuǎn)或者逆轉(zhuǎn)邏輯為合理，一旦不符合變化邏輯，則為無效計(jì)量，需要排查或者重新啟動(dòng)檢測(cè)。Low Energer Sensor對(duì)以上步驟，通過軟件設(shè)置即可以實(shí)現(xiàn)，無需客戶自行通過軟件來實(shí)現(xiàn)組合外設(shè)及控制邏輯，并且在測(cè)量完成后自動(dòng)進(jìn)入IDIE模式，大大提高效率降低功耗。

Low Energer Sensor處理邏輯圖

其他功能應(yīng)用

• LCD驅(qū)動(dòng)（可選）：LCD驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)多達(dá)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(qū)動(dòng)電源。還提供一個(gè)專用的電荷再分配驅(qū)動(dòng)器可以減少40%LCD驅(qū)動(dòng)供電電流。此外，還支持動(dòng)畫功能，可以在LCD上運(yùn)行自定義動(dòng)畫，而無需任何CPU干預(yù)。

• 雙串口通訊：可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊及外加抄表模塊/通訊模塊等，使用靈活，還提供一個(gè)LowEnergyUART，可在32.76K時(shí)鐘下工作在9600bps波特率，提高效率降低功耗。

• 其他功能：PWM驅(qū)動(dòng):高效實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開合;12bitADC:實(shí)現(xiàn)電池電量檢測(cè)及電機(jī)過流保護(hù)等。

方案優(yōu)勢(shì)

Silicon Labs的高性能高穩(wěn)定性MCU EFM32TGxxx，以高度集成的外設(shè)，實(shí)現(xiàn)低成本低功耗單一芯片的無磁水表方案，與目前市場(chǎng)上無磁方案相比，該方案在功耗、集成度、成本、性能等方面都有明顯優(yōu)勢(shì)，相信未來隨著無磁水表市場(chǎng)的推進(jìn)，此方案將逐步成為市場(chǎng)主導(dǎo)方案之一，為客戶設(shè)計(jì)出更有優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品。

以技術(shù)服務(wù)客戶為核心的貝能國(guó)際有限公司，強(qiáng)力推出該新型無磁水表方案，在技術(shù)支持上將為客戶提供強(qiáng)全方位支持，包括Silicon Labs MCU開發(fā)平臺(tái)、無磁檢測(cè)算法、硬件設(shè)計(jì)評(píng)估、軟件算法指導(dǎo)及其他技術(shù)協(xié)助，全力協(xié)助客戶完成無磁水表方案的成品量產(chǎn)工作。

該無磁檢測(cè)方案性能、成本優(yōu)勢(shì)明顯，設(shè)計(jì)靈活，同時(shí)大大降低無磁檢測(cè)技術(shù)難度及功耗，并適用于氣表、熱表等其他類似表計(jì)方案應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

1、EFM32TG11 FamilyData Sheet https://www.silabs.com

2、Low Energy SensorAN0029 - Application Note https://www.silabs.com

3，基于單片機(jī)的無磁傳感水表設(shè)計(jì)傳感器與微系統(tǒng) 2006 03:54-56