節(jié)能、高效、抗干擾，全新無磁水表方案

作者 / 貝能國際有限公司

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

　　隨著時代發(fā)展，智能水表替代部分傳統(tǒng)機械水表，得到廣泛應用。而智能水表的計量方式也隨著電子技術的發(fā)展越來越多樣化，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，無磁計量水表以其計量精度高、無磁性、無雜質吸附，且不被人為干擾等優(yōu)點，被廣大水表廠家所青睞，市場前景廣闊。

1 無磁檢測原理簡介

　　無磁水表的基礎原理是LC振蕩傳感器，在該電路中，通過開關K調整，可以在LC電路上實現(xiàn)一個正弦波輸出電路，通過K對電容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，由于存在電感L的電能消耗，所以將會呈現(xiàn)一個逐步衰減的正弦波輸出。

　　利用該原理，無磁水表通過檢測該正弦波衰減過程來實現(xiàn)水表計量。在圖1右邊部分的電路中，圓盤代表水表的表盤轉子，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。

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

　　無磁檢測是通過兩個LC振蕩電路組成的傳感器來實現(xiàn)的，圖2、3列出了表盤轉動過程中對應LC振蕩的正弦波衰減變化過程圖。

　　通過分析，得到傳感器1/傳感器2狀態(tài)在轉子轉動過程中，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)，再通過不同的組合狀態(tài)(A：快/慢，B：快/快，C：慢/快，D：慢/慢)，進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關系。那么關鍵問題是，MCU如何更有效檢測傳感器1與傳感器2的狀態(tài)，并使這個過程更簡單更快速，又更低功耗呢?Silicon Labs公司的 32 bit MCU內置Low Energy Sensor模塊，提供了一個量身定制用于無磁檢測計量的方案。

2 無磁水表方案介紹

　　方案采用Silicon Labs公司的MCU EFM32TG11B340F64GQ64為主平臺，利用MCU內部的Low Energy Sensor模塊實現(xiàn)無磁檢測;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;水表閥門開關控制采用三極管實現(xiàn)的分離驅動電路來驅動BDC閥門實現(xiàn);數據采集通過UART來實現(xiàn)與抄表模塊通訊，用戶可以采用NB-IoT/Sub-G/藍牙等方式來實現(xiàn)遠程數據采集，如圖5。

3 MCU平臺介紹及方案框圖

　　EFM32TG11B340F64GQ64是基于ARM 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(tǒng)效率;通訊接口豐富，雙串口加上一個低功耗串口Low Energy UART，IIC/SPI都可以支持在DMA模式下工作;加密算法靈活，支持自動隨機數;提供高進度低功耗RTC及RTC備用電源接口;Low Energer Sensor模塊可以實現(xiàn)電容/電感/電量變化檢測及喚醒機制;抗干擾性強，性能穩(wěn)定。

　　在無磁水表產品中，無磁檢測與低功耗設計是難點，而MCU內部的Low Energer Sensor模塊既為無磁檢測簡化了算法，也降低了系統(tǒng)功耗，同時該芯片又高度集成各種外設，使無磁水表設計實現(xiàn)高集成度，縮小體積，降低成本，產品更具市場競爭力。

　　Silicon Labs MCU 開發(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高精度DAC生成的參考電壓進行比較，通過比較翻轉邏輯來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(qū)域中，并通過預設的時序邏輯處理，計數處理，從而通過多次結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 EFM32TG11Bxxx 處于 EM2(深睡眠模式)時，可自動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。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，才需要喚醒至 EM0(運行模式)，大大簡化產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無磁檢測的實現(xiàn)

　　在給LC電路充電后，斷開充電電路，LC電路的振蕩有一個穩(wěn)定過程，這個過程在檢測算法中需要一個Delay延時來規(guī)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。充電時間很短，通DAC0-CHx開關對電容充電，定時斷開。

3.2.2 延時

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

3.2.3 檢測

　　在延時之后，Low Energer Sensor需要判斷此時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Low Energer Sensor通過比較器來測量，并通過調整比較器參考電壓的方法來判斷衰減情況，如圖7所示。

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

　　一個關鍵點是：無磁檢測表面上對磁性干擾是不影響的，但是實際在強磁干擾下，磁場會改變正弦波的衰減波形，造成計量的誤差甚至誤計/不計。這時候我們需要通過檢測狀態(tài)變化的時序是否改變來判斷是否收到干擾，并且通過改變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，則為無效計量，需要排查或者重新啟動檢測。

　　Low Energer Sensor對以上步驟，通過軟件設置即可以實現(xiàn)，無需客戶自行通過軟件來實現(xiàn)組合外設及控制邏輯，并且在測量完成后自動進入IDIE模式，大大提高效率降低功耗。

3.3 其他功能應用

　　? LCD驅動(可選)：LCD驅動器能夠驅動多達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驅動電源。還提供一個專用的電荷再分配驅動器可以減少40%LCD驅動供電電流。此外，支持動畫功能，可以在LCD上運行自定義動畫，且無需任何CPU干預。

　　? 雙串口通訊：可以實現(xiàn)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Low Energy UART，可在32.76 K時鐘下工作在9600 bps波特率，提高效率降低功耗。

　　? 其他功能：PWM驅動高效實現(xiàn)電機的開合;12 bitADC實現(xiàn)電池電量檢測及電機過流保護等。

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%)，可以有助于實現(xiàn)內部參考源的穩(wěn)定性及精度，提高產品無磁檢測精度。

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

4 全新無磁水表方案優(yōu)勢

　　Silicon Labs公司高性能高穩(wěn)定性MCU EFM32TG11xxx，以高度集成的外設，實現(xiàn)低成本低功耗單一芯片的無磁水表方案，與目前市場上無磁方案相比，該方案在功耗、集成度、成本、性能等方面具有優(yōu)勢。隨著無磁水表市場的推進，此方案未來將成為市場主導方案之一。

　　貝能國際有限公司致力表類產品智能化、全電子化方向快速發(fā)展，強力推出該新型無磁水表方案。該方案具有節(jié)能的外圍設備和能耗模式，可以實現(xiàn)高功能、低功耗的系統(tǒng)設計，設計靈活，大大降低無磁檢測技術難度及功耗，同時適用氣表、熱表等其他表計方案設計需求。

　　為配套客戶需求，貝能國際同步提供Silicon Labs MCU開發(fā)平臺、無磁檢測算法、硬件設計評估、軟件算法指導及其他支持，為開發(fā)人員提供出色的設計靈活性，幫助客戶快速準確地實現(xiàn)產品的設計及量產。

　　本文來源于《電子產品世界》2018年第4期第73頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。