基于GP21+EFM32的超低功耗超聲波熱量表電路模塊設計

　　基于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ARM公司的32位Cortex-M3內核設計而來，對比于傳統(tǒng)的8位、16位單片機，它具有更高的運算和數(shù)據處理能力，更高的代碼密度，更低的功耗。實際數(shù)據顯示，EFM32TG840在執(zhí)行32位乘法運算僅需4個內核時鐘周期，32 位除法運算僅需8個內核時鐘周期，而相應熱表上運用的16位單片機卻分別需要50和465個時鐘周期。而恰恰在時間數(shù)據轉換芯片TDC-GP21上采集得到的數(shù)據均是32位長度，因此在運算和熱量計算時均是32位的數(shù)據運算?？梢?，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，微控制器仍可實現(xiàn)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(tǒng)，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驅動器，滿足直接驅動超聲波熱量表液晶屏的需求，而功耗僅為550nA。EFM32TG840的 LCD驅動器內部集成電壓升壓功能和對比度調節(jié)功能，可實現(xiàn)在芯片內部VCMP電壓比較器監(jiān)控VDD電壓，分等級開啟LCD升壓及對比度調節(jié)，達到LCD 的現(xiàn)象效果良好，即使系統(tǒng)電池隨著使用時間增加出現(xiàn)電壓跌落現(xiàn)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現(xiàn)交互控制動作。

　　TDC-GP21超聲波采集電路模塊

　　TDC-GP21是德國ACAM公司在2011年11月底推出的新一代專門針對超聲波熱量表檢測計量所用的數(shù)字時間轉換器。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，例如模擬開關以及低噪聲斬波穩(wěn)定（自動進行溫度電壓校正）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，就可以進行高精度的測量，測量的性能遠遠超過熱量表所需的要求。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推薦的兩個供電電壓使用相同的電壓源進行供電，并增加去耦雙通道濾波電路以達到降低系統(tǒng)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提供的官方參考電路進行搭建。在時鐘方面TDC-GP21將輸出32.768KHz時鐘，為EFM32TG840F32提供低頻時鐘，可節(jié)省主控MCU的低頻晶振。

　　圖3 TDC-GP21電路圖

　　MBUS通信電路模塊

　　超聲波熱量表通過MBUS（Meter Bus）總線通信進行自動抄表。現(xiàn)場的熱量表可通過MBUS將數(shù)據上傳到集中器，然后由集中器或再上一級集中器將數(shù)據通過以太網或無線GPRS通信模塊將數(shù)據傳輸?shù)墓┡行牡暮笈_，進行計費及管理。本方案中采用TI公司的MBUS芯片為TSS721A。TSS721A是一種用于儀表總線的收發(fā)器集成芯片，其內含接口電路可以調節(jié)儀表總線結構中主從機之間的電平，同時該收發(fā)器可由總線供電，對從機不增加功率需求，總線可無極性連接。TSS721A的連接電路如圖4所示。

　　圖4 TSS721A連接電路

　　紅外通信電路模塊

　　根據《CJ/T 188-2004》技術規(guī)范文檔，超聲波熱量表紅外通信采用38KHz的載波對通信數(shù)據進行調制且有效通信距離大于2m，選用波長為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行抄表。紅外通信電路如圖5所示。