作者 / 贝能世界有限公司
摘要：本文依据Silicon Labs公司EFM32xx系列MCU内部集成的Low Energer Sensor外设根底上便当完成无磁水表计量技能计划来做讨论。除水表外，气表、热表选用这种计量方法也相同可行。
跟着年代开展，智能水表代替部分传统机械水表，得到广泛运用。而智能水表的计量方法也跟着电子技能的开展越来越多样化，如机械表头检测、超声波检测、有磁检测等方法相继问世。但这些方法存在显着局限性：简略受外界电磁搅扰或许由于永磁体对水中杂质的累计吸附，构成计量差错或被人为运用、漏计及不计。在这种状况下，无磁计量水表以其计量精度高、无磁性、无杂质吸附，且不被人为搅扰等长处，被宽广水表厂家所喜爱，商场前景宽广。
1 无磁检测原理简介
无磁水表的根底原理是LC振动传感器，在该电路中，经过开关K调整，能够在LC电路上完成一个正弦波输出电路，经过K对电容C充电，充溢后，将K与电感L连通，电容的电量将经过L放电，由于存在电感L的电能耗费，所以将会呈现一个逐渐衰减的正弦波输出。
运用该原理，无磁水表经过检测该正弦波衰减进程来完成水表计量。在图1右边部分的电路中，圆盘代表水表的表盘转子，深色区域表明金属表盘区，白色区域表明为非金属表盘区，L为固定的电感线圈。
当对该LC电路充电后，MCU经过检测固定电容C两头的电压，能够取得LC振动电路中的正弦波。当电感线圈处于金属区，会构成电感涡流，导致更大的电能耗费，正弦波衰减速度更快;当电感线圈处于非金属区，根本不存在涡流，正弦波衰减速度相对较慢。经过MCU来检测正弦波衰减的快慢，能够精确识别出表盘转子处于哪个区域，然后判别表盘方位及圈数，到达水表计量的意图。
无磁检测是经过两个LC振动电路组成的传感器来完成的，图2、3列出了表盘滚动进程中对应LC振动的正弦波衰减改动进程图。
经过剖析，得到传感器1/传感器2状况在转子滚动进程中，在A(0/1)→B(0/0)→C(1/0)→D(1/1)→A(0/1)→B(0/0)→C(1/0)……中循环呈现，咱们经过检测传感器1/传感器2的正弦波衰减趋势获取对应状况，再经过不同的组合状况(A：快/慢，B：快/快，C：慢/快，D：慢/慢)，然后取得水表的方位并计算出转速。
用低电平表明衰减较快，高电平表明衰减较慢，得到图4联系。那么要害问题是，MCU怎么更有用检测传感器1与传感器2的状况，并使这个进程更简略更快速，又更低功耗呢?Silicon Labs公司的 32 bit MCU内置Low Energy Sensor模块，供给了一个量身定制用于无磁检测计量的计划。
2 无磁水表计划介绍
计划选用Silicon Labs公司的MCU EFM32TG11B340F64GQ64为主渠道，运用MCU内部的Low Energy Sensor模块完成无磁检测;LDO选用Microchip公司的超低功耗LDO MCP1711;Microchip公司的EEPROM 24LC16用于存储数据信息;水表阀门开关操控选用三极管完成的别离驱动电路来驱动BDC阀门完成;数据收集经过UART来完成与抄表模块通讯，用户能够选用NB-IoT/Sub-G/蓝牙等方法来完成长途数据收集，如图5。
3 MCU渠道介绍及计划框图
EFM32TG11B340F64GQ64是依据ARM Cortex-M0+核 MCU，选用最新90 nm新工艺规划，作业频率可达48 MHz;超低功耗，51 μA/MHz @ 3 V Sleep Mode，5种低功耗形式能够灵敏满意各种功耗规划需求;32 KB的Flash空间，4 KB SRAM;丰厚的外设为集成化规划供给了便当，内部集成可选的超低功耗LCD驱动达8×20段位;集成内部比较器/运放，12 bit ADC及12 bit DAC模块， DAC输出可装备为比较器参阅电压输入;8通道DMA大大进步体系功率;通讯接口丰厚，双串口加上一个低功耗串口Low Energy UART，IIC/SPI都能够支撑在DMA形式下作业;加密算法灵敏，支撑主动随机数;供给高进展低功耗RTC及RTC备用电源接口;Low Energer Sensor模块能够完成电容/电感/电量改动检测及唤醒机制;抗搅扰性强，功用安稳。
在无磁水表产品中，无磁检测与低功耗规划是难点，而MCU内部的Low Energer Sensor模块既为无磁检测简化了算法，也下降了体系功耗，一起该芯片又高度集成各种外设，使无磁水表规划完成高集成度，缩小体积，下降本钱，产品更具商场竞争力。
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3.1 Low Energer Sensor介绍
Low Energer Sensor在Silicon Labs的高功用32 bit MCU中作为一个规范外设，从ARM Cortex-M0+到M3/M4系列中都存在。它是将几种不同已存在的其它外设进行组合装备而构成的的丈量传感器，可用于丈量电感/电容/电量等的改动，它将模仿比较器收集的模仿数据与经过高精度DAC生成的参阅电压进行比较，经过比较翻转逻辑来判别输入电压与参阅电压的凹凸，输出成果为翻转次数，这些成果将存储在设定区域中，并经过预设的时序逻辑处理，计数处理，然后经过屡次成果剖析来判别所采样的模仿波形改动状况。
借助于Low Energer Sensor，当 EFM32TG11Bxxx 处于 EM2(深睡觉形式)时，可主动处理运用模仿比较器、DAC 和计数器的简直一切传感器接口使命。只要在传感器读数改动而且到达触发阈值，或许需求更高等级的校按时，才需求唤醒至 EM0(运转形式)，大大简化产品的低功耗规划要求。在EM2形式下，MCU电流参数为1.54μA左右。
3.2 Low Energer Sensor无磁检测的完成
在给LC电路充电后，断开充电电路，LC电路的振动有一个安稳进程，这个进程在检测算法中需求一个Delay延时来躲避检测，避免误判。
3.2.1 充电
Low Energer Sensor给LC电路中电容C充电。充电时刻很短，通DAC0-CHx开关对%&&&&&%充电，守时断开。
3.2.2 延时
在刚充电到一段时刻内，正弦波衰减是很缓慢的，这就需求一段延时，等候有规则的衰减期到来，这段延时是依据LC参数及电感涡流巨细来调整的，需求经过试验测验得到适宜的值，如图6所示。
3.2.3 检测
在延时之后，Low Energer Sensor需求判别此刻正弦波的的衰减速度，然后判别传感器1与传感器2的状况得到转子方位。由于接收到的是正弦波，所以Low Energer Sensor经过比较器来丈量，并经过调整比较器参阅电压的方法来判别衰减状况，如图7所示。
图中赤色基准线为经过DAC调整的参阅电压点，该参阅点可按实践参数来经过DAC调整输出然后调整该参阅点的。能够看到，调整到适宜的参阅点，处于金属区的传感器由于衰减较快，所以很快电压处于基准线以下，所对应比较器翻转次数就少;而处于非金属区的传感器，由于衰减较慢，电压衰减到基准线以下的时刻相对较长，所对应的比较器翻转次数就多。
一个要害点是：无磁检测表面上对磁性搅扰是不影响的，可是实践在强磁搅扰下，磁场会改动正弦波的衰减波形，构成计量的差错乃至误计/不计。这时候咱们需求经过检测状况改动的时序是否改动来判别是否收到搅扰，而且经过改动DAC的输出改动参阅电压，然后到达抵消外部搅扰的意图，做到真实的无磁抗搅扰的作用。
3.2.4 处理
将本次取得的转子方位存储，并与前次取得方位进行剖析，契合顺转或许反转逻辑为合理，一旦不契合改动逻辑，则为无效计量，需求排查或许重新启动检测。
Low Energer Sensor对以上过程，经过软件设置即能够完成，无需客户自行经过软件来完成组合外设及操控逻辑，而且在丈量完成后主动进入IDIE形式，大大进步功率下降功耗。
3.3 其他功用运用
• LCD驱动(可选)：LCD驱动器能够驱动多达8×32段分段LCD显现。电压升压功用使它能够供给比电源电压高的LCD驱动电源。还供给一个专用的电荷再分配驱动器能够削减40%LCD驱动供电电流。此外，支撑动画功用，能够在LCD上运转自定义动画，且无需任何CPU干涉。
• 双串口通讯：能够完成与上位机通讯及外加抄表模块/通讯模块等，运用灵敏，还供给一个Low Energy UART，可在32.76 K时钟下作业在9600 bps波特率，进步功率下降功耗。
• 其他功用：PWM驱动高效完成电机的开合;12 bitADC完成电池电量检测及电机过流维护等。
3.4 计划配套器材
• MCP1711(LDO)：选用美国微芯科技公司(Micorchip Technology)超低功耗LDO MCP1711，静态功耗达600 nA，输入规模1.4~6.0 V，高输出精度±20 mV(1%)，能够有助于完成内部参阅源的安稳性及精度，进步产品无磁检测精度。
• 24LC16(EEPROM)：由美国微芯科技公司(Micorchip Technology)供给的EEPROM24LC16，选用I%&&&&&%接口通讯，擦写次数多，速度快，超低功耗(休眠电流1uA)，安稳性高，大大进步整个产品的功用。
4 全新无磁水表计划优势
Silicon Labs公司高功用高安稳性MCU EFM32TG11xxx，以高度集成的外设，完成低本钱低功耗单一芯片的无磁水表计划，与现在商场上无磁计划比较，该计划在功耗、集成度、本钱、功用等方面具有优势。跟着无磁水表商场的推动，此计划未来将成为商场主导计划之一。
贝能世界有限公司努力表类产品智能化、全电子化方向快速开展，强力推出该新式无磁水表计划。该计划具有节能的外围设备和能耗形式，能够完成高功用、低功耗的体系规划，规划灵敏，大大下降无磁检测技能难度及功耗，一起适用气表、热表等其他表计计划规划需求。
为配套客户需求，贝能世界同步供给Silicon Labs MCU开发渠道、无磁检测算法、硬件规划评价、软件算法辅导及其他支撑，为开发人员供给超卓的规划灵敏性，协助客户快速精确地完成产品的规划及量产。
本文来源于《电子产品世界》2018年第4期第73页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
