基于EFM32的無磁熱表的方案

EFM32是由挪威EnergyMicro公司采用Cortex-M3內核設計而來的高性能微控制器，它具有突出的低功耗特性，適用于三表(電表、水表、氣表、熱表)、工業(yè)控制、警報安全系統(tǒng)、健康與運動應用系統(tǒng)、手持式醫(yī)療設備以及智能家居控制等領域。

　　針對EFM32的低功耗特性以及LESENSE接口的應用特色，本文將詳細闡述基于EFM32的無磁熱表的方案。

　　LESENSE簡介

　　LESENSE接口是EFM32微控制器利用片上外設實現(xiàn)可配置傳感器檢測的低功耗接口。傳感器接口檢測到的結果可由LESENSE配置16狀態(tài)的狀態(tài)機進行解碼，也可以保存在緩沖區(qū)中，由CPU或DMA進行進一步的處理。

　　LESENSE除了能在功耗模式EM0和EM1下工作外，還可以在低功耗模式EM2下，通過配置它為事件輸入低功耗喚醒CPU(@1uA)。

　　LESENSE特性

　　EFM32的LESENSE接口具有低功耗、可配置特性靈活的特點：

　　l 多達16通道的傳感器接入，支持電感式、電容式、電阻式傳感器檢測輸入;

　　l 在EM0、EM1、EM2模式下，自動進行傳感器檢測;

　　l 高度可配置的傳感器檢測結果解碼;

　　l 傳感器事件中斷;

　　l 提供外部傳感器可配置使能信號;

　　l 多達16個可保存?zhèn)鞲衅鳈z測結果的環(huán)形緩沖區(qū)。

　　無磁熱表方案

　　EFM32的LESENSE接口適用于有電感式傳感器檢測需求的應用領域，例如流量計、水表、熱量表、轉動位置檢測模塊等應用。無磁式熱表(熱量表)方案就是綜合EFM32的低功耗特性以及LESENSE實現(xiàn)的無磁傳感式流量檢測技術而來。

　　(一)應用背景

　　目前傳統(tǒng)的熱表方案主要采用韋根、霍爾、干簧管等有磁傳感器進行流量檢測，因此葉輪上需要帶有永久磁鐵，由于供暖管道的生銹和水質比較差，葉輪上的磁鐵很容易吸附水中的鐵屑、鐵銹等，并形成堆積，從而阻礙了葉輪的轉動和增加了磨損，尤其是在停止供熱以后，大量的雜質硬化，使葉輪在第二年供熱時轉動很慢，嚴重的甚至不能轉動，大大影響熱量表的使用壽命。同時，由于長時間工作于高溫水流中，磁鐵磁力會減弱，從而影響到采樣的可靠性。有磁傳感器的另一個致命弱點是極容易受到外部磁場的干擾，使采樣信號發(fā)生紊亂，甚至停止工作。因此有磁式流量檢測的熱表已逐步被市場所淘汰。

　　目前市場上常應用的熱表方案分別是無磁式熱表和超聲波式熱表。超聲波檢測具有精度高，可靠性好的優(yōu)點，但是超聲波檢測芯片的價格較貴，整體方案的成本較高。因此，無磁式傳感器以其低成本、高精度的特點得到廣泛應用。

　　(二)系統(tǒng)結構

　　EFM32主要是依靠檢測LESENSE外接的LC振蕩電路的阻尼振蕩波形的變化來判斷外部電感量的變化，從而得到旋轉葉輪的轉動情況。

　　圖1 電感檢測原理

　　如圖1所示，兩個LC傳感器固定在葉輪上方，分布在與圓心成90度或180度角。EFM32通過DAC定時輸出激勵脈沖讓LC傳感器產生自由振蕩。流體流動時帶動葉輪轉動，由于葉輪的一半涂有具有阻尼特性的金屬膜，在葉輪轉動時兩個LC傳感器會交替經過涂有金屬膜的部分。當傳感器在經過有金屬的位置時，LC阻尼振蕩的振幅衰減速度快，相反，在經過非金屬部分時，LC阻尼振蕩振幅衰減的速度就慢，如圖2所示。

　　圖2 阻尼振蕩波形

　　將振蕩信號輸入到EFM32中的比較器與設定的電壓進行比較，即可得到一串脈沖，通過比較兩個LC傳感器的脈沖個數(shù)的變化即可計算出葉輪的運轉速度，從而得出流體的流量。由于DAC、LESENSE及模擬比較器都可以在MCU睡眠狀態(tài)EM2模式下進行工作，因此，整個LC傳感器檢測的過程中并不需要CPU進行干涉，CPU可以進行其它的任務處理或保持睡眠以使全程運行在低功耗狀態(tài)，只需要在檢測結束后才被喚醒進行結果的處理以及流量的計算。

　　同時，EFM32帶有12位的ADC，可支持差分輸入，可與PT1000鉑電阻實現(xiàn)高精度溫度的測量。它片上集成的LCD控制器可實現(xiàn)熱表上顯示液晶屏的驅動，用于人機交互界面。此外，EFM32片內帶有RTC功能模塊，可用于時間記錄。熱表的通信接口可通過EFM32的2路UART擴展為紅外通信接口及M-BUS/RS-485總線通信接口。EFM32的工作電壓范圍為1.8V~3.8V，能夠在3.6V鋰電池直接供電的情況下工作，并且能夠兼容鋰電池的浮動電壓范圍，使得系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提高。