随着时代发展,智能水表替代部分传统机械水表,得到广泛应用。而智能水表的计量方式也随着电子技术的发展越来越多样化,如机械表头检测、超声波检测、有磁检测等方式相继问世。但这些方式存在明显局限性:容易受外界电磁干扰或者因为永磁体对水中杂质的累计吸附,造成计量误差或被人为利用、漏计及不计。在这种情况下,无磁计量水表以其计量精度高、无磁性、无杂质吸附,且不被人为干扰等优点,被广大水表厂家所青睐,市场前景广阔。
 
本文基于 Silicon Labs 公司 EFM32xx 系列 MCU 内部集成的 Low Energer Sensor 外设基础上方便实现无磁水表计量技术方案来做探讨。除水表外,气表、热表采用这种计量方式亦同样可行。
 
无磁检测原理简介
无磁水表的基础原理是 LC 振荡传感器,在该电路中,通过开关 K 调整,可以在 LC 电路上实现一个正弦波输出电路,通过 K 对电容 C 充电,充满后,将 K 与电感 L 连通,电容的电量将通过 L 放电,由于存在电感 L 的电能消耗,所以将会呈现一个逐步衰减的正弦波输出。如下图:
 
LC 振荡电路
 
利用该原理,无磁水表通过检测该正弦波衰减过程来实现水表计量。在下图右边部分的电路中,圆盘代表水表的表盘转子,深色区域表示金属表盘区,白色区域表示为非金属表盘区,L 为固定的电感线圈。
 
当对该 LC 电路充电后,MCU 通过检测固定电容 C 两端的电压,可以获得 LC 振荡电路中的正弦波。当电感线圈处于金属区,会形成电感涡流,导致更大的电能消耗,正弦波衰减速度更快;当电感线圈处于非金属区,基本不存在涡流,正弦波衰减速度相对较慢。通过 MCU 来检测正弦波衰减的快慢,可以准确识别出表盘转子处于哪个区域,进而判断表盘位置及圈数,达到水表计量的目的。
 
水表计量无磁检测示意图
 
无磁检测是通过两个 LC 振荡电路组成的传感器来实现的,下图列出了表盘转动过程中对应 LC 振荡的正弦波衰减变化过程图。
 
转子状态 A 对应衰减波形
 
 
 
转子状态 B 对应衰减波形
 
转子状态 C 对应衰减波形
 
转子状态 D 对应衰减波形
 
 
通过分析,得到 Sensor1/Sensor2 状态在转子转动过程中在 A(0/1)->B(0/0)->C(1/0)->D(1/1)->A(0/1)->B(0/0)->C(1/0)……中循环出现,我们通过检测 Sensor1/Sensor2 的正弦波衰减趋势获取对应状态,再通过不同的组合状态(A:快 / 慢 B:快 / 快 C:慢 / 快 D:慢 / 慢),进而获得水表的位置并计算出转速。
 
用低电平表示衰减较快,高电平表示衰减较慢,得到下列关系:
 
传感器检测位置逻辑图
 
那么关键问题是,MCU 如何更有效检测 Sensor1 与 Sensor2 的状态,并使这个过程更简单更快速,又更低功耗呢?Silicon Labs 公司的 32bit MCU 内置 Low Energy Sensor 模块,将为我们提供一个量身定制用于无磁检测计量的方案。

 

无磁水表方案介绍
方案采用 Silicon Labs 公司的 MCU EFM32TG11B340F64GQ64 为主平台,利用 MCU 内部的 Low Energy Sensor 模块实现无磁检测;LDO 采用 Microchip 公司的超低功耗 LDO MCP1711;Microchip 公司的 EEPROM 24LC16 用于存储数据信息;水表阀门开关控制采用三极管实现的分离驱动电路来驱动 BDC 阀门实现;数据采集通过 UART 来实现与抄表模块通讯,用户可以采用 NB-IoT/Sub-G/ 蓝牙等方式来实现远程数据采集。
 
无磁水表方案框图
 
MCU 平台介绍及方案框图
EFM32TG11B340F64GQ64 是基于 ARM Cortex-M0+核 MCU,采用最新 90nm 新工艺设计,工作频率可达 48 MHz;超低功耗,51 μA/MHz @ 3 V Sleep Mode,5 种低功耗模式可以灵活满足各种功耗设计需求;32K 的 Flash 空间,4K SRAM;丰富的外设为集成化设计提供了便利,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,12bit ADC 及 12bit DAC 模块, DAC 输出可配置为比较器参考电压输入;8 通道 DMA 大大提高系统效率;通讯接口丰富,双串口加上一个低功耗串口 Low Energy UART,IIC/SPI 都可以支持在 DMA 模式下工作;加密算法灵活,支持自动随机数;提供高进度低功耗 RTC 及 RTC 备用电源接口;Low Energer Sensor 模块可以实现电容 / 电感 / 电量变化检测及唤醒机制;抗干扰性强,性能稳定。
 
在无磁水表产品中,无磁检测与低功耗设计是难点,而 MCU 内部的 Low Energer Sensor 模块既为无磁检测简化了算法,也降低了系统功耗,同时该芯片又高度集成各种外设,使无磁水表设计实现高集成度,缩小体积,降低成本,产品更具市场竞争力。
 
Silicon Labs MCU 开发环境 Simplicity Studio 支持多种标准 C 编译器 Keil/IAR/Hi-teck 等,采用可配置化编程工具 Simplicity Configurators,灵活方便,适合新用户快速入手。
 
EFM32TG11Bxxx 内部框图
 
Low Energer Sensor 介绍
Low Energer Sensor 在 Silicon Labs 的高性能 32bit MCU 中作为一个标准外设,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配置而形成的的测量传感器,可用于测量电感 / 电容 / 电量等的变化,它将模拟比较器采集的模拟数据与通过高精度 DAC 生成的参考电压进行比较,通过比较翻转逻辑来判断输入电压与参考电压的高低,输出结果为翻转次数,这些结果将存储在设定区域中,并通过预设的时序逻辑处理,计数处理,从而通过多次结果分析来判断所采样的模拟波形变化情况。
 
借助于 Low Energer Sensor,当 EFM32TG11Bxxx 处于 EM2(深睡眠模式)时,可自动处理使用模拟比较器、DAC 和计数器的几乎所有传感器接口任务。只有在传感器读数改变并且达到触发阈值,或者需要更高级别的校准时,才需要唤醒至 EM0(运行模式),大大简化产品的低功耗设计要求。在 EM2 模式下,MCU 电流参数为 1.54μA 左右。‍
 
Low Energer Sensor 模块框图
 
Low Energer Sensor 无磁检测的实现
在给 LC 电路充电后,断开充电电路,LC 电路的振荡有一个稳定过程,这个过程在检测算法中需要一个 Delay 延时来规避检测,防止误判。
 
1 充电
Low Energer Sensor 给 LC 电路中电容 C 充电。充电时间很短,通 DAC0-CHx 开关对电容充电,定时断开。
 
充电开关图示
 
2 延时
在刚充电到一段时间内,正弦波衰减是很缓慢的,这就需要一段延时,等待有规律的衰减期到来,这段延时是根据 LC 参数及电感涡流大小来调整的,需要通过实验测试得到合适的值。
 
延时图示
 
3 检测
在延时之后,Low Energer Sensor 需要判断此时正弦波的的衰减速度,从而判断 Sensor1 与 Sensor2 的状态得到转子位置。因为接收到的是正弦波,所以 Low Energer Sensor 通过比较器来测量,并通过调整比较器参考电压的方法来判断衰减情况,如检测图示:
 
检测图示
 
图中红色基准线为通过 DAC 调整的参考电压点,该参考点可按实际参数来通过 DAC 调整输出从而调整该参考点的。可以看到,调整到合适的参考点,处于金属区的 Sensor 因为衰减较快,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 Sensor,因为衰减较慢,电压衰减到基准线以下的时间相对较长,所对应的比较器翻转次数就多。
 
一个关键点是:无磁检测表面上对磁性干扰是不影响的,但是实际在强磁干扰下,磁场会改变正弦波的衰减波形,造成计量的误差甚至误计 / 不计。这时候我们需要通过检测状态变化的时序是否改变来判断是否收到干扰,并且通过改变 DAC 的输出改变参考电压,从而达到抵消外部干扰的目的,做到真正的无磁抗干扰的效果。
 
4 处理
将本次获得的转子位置存储,并与上次获得位置进行分析,符合顺转或者逆转逻辑为合理,一旦不符合变化逻辑,则为无效计量,需要排查或者重新启动检测。
 
Low Energer Sensor 对以上步骤,通过软件设置即可以实现,无需客户自行通过软件来实现组合外设及控制逻辑,并且在测量完成后自动进入 IDIE 模式,大大提高效率降低功耗。
 
 
Low Energer Sensor 处理逻辑图
 
 
其他功能应用
LCD 驱动(可选):LCD 驱动器能够驱动多达 8x32 段分段 LCD 显示。电压升压功能使它能够提供比电源电压高的 LCD 驱动电源。还提供一个专用的电荷再分配驱动器可以减少 40%LCD 驱动供电电流。此外,支持动画功能,可以在 LCD 上运行自定义动画,且无需任何 CPU 干预。
ž
双串口通讯:可以实现与上位机通讯及外加抄表模块 / 通讯模块等,使用灵活,还提供一个 Low Energy UART,可在 32.76K 时钟下工作在 9600bps 波特率,提高效率降低功耗。
 
其他功能:PWM 驱动高效实现电机的开合;12bitADC 实现电池电量检测及电机过流保护等。
 
方案配套器件
MCP1711(LDO):采用美国微芯科技公司(Micorchip Technology)超低功耗 LDO MCP1711,静态功耗达 600 nA,输入范围 1.4-6.0V,高输出精度±20 mV(1%),可以有助于实现内部参考源的稳定性及精度,提高产品无磁检测精度。
 
24LC16(EEPROM):由美国微芯科技公司(Micorchip Technology)提供的 EEPROM24LC16,采用 IIC 接口通讯,擦写次数多,速度快,超低功耗(休眠电流 1uA),稳定性高,大大提高整个产品的性能。
 
全新无磁水表方案优势
Silicon Labs 公司高性能高稳定性 MCU EFM32TG11xxx,以高度集成的外设,实现低成本低功耗单一芯片的无磁水表方案,与目前市场上无磁方案相比,该方案在功耗、集成度、成本、性能等方面极具优势。随着无磁水表市场的推进,此方案未来将成为市场主导方案之一。
 
贝能国际有限公司致力表类产品智能化、全电子化方向快速发展,强力推出该新型无磁水表方案。该方案具有节能的外围设备和能耗模式,可以实现高功能、低功耗的系统设计,设计灵活,大大降低无磁检测技术难度及功耗,同时适用气表、热表等其他表计方案设计需求。
 
为配套客户需求,贝能国际同步提供 Silicon Labs MCU 开发平台、无磁检测算法、硬件设计评估、软件算法指导及其他支持,为开发人员提供出色的设计灵活性,全力以赴帮助客户快速准确地实现产品的设计及量产。