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(yīng)用。而智能水表的計量方式也隨著電子技術(shù)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(zhì)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(zhì)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。
本文基于Silicon Labs公司EFM32xx系列MCU內(nèi)部集成的Low Energer Sensor外設(shè)基礎(chǔ)上方便實現(xiàn)無磁水表計量技術(shù)方案來做探討。除水表外,氣表、熱表采用這種計量方式亦同樣可行。
無磁檢測原理簡介
無磁水表的基礎(chǔ)原理是LC振蕩傳感器,在該電路中,通過開關(guān)K調(diào)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。如下圖:
LC振蕩電路
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。在下圖右邊部分的電路中,圓盤代表水表的表盤轉(zhuǎn)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(dāng)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(dāng)電感線圈處于金屬區(qū),會形成電感渦流,導(dǎo)致更大的電能消耗,正弦波衰減速度更快;當(dāng)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(zhǔn)確識別出表盤轉(zhuǎn)子處于哪個區(qū)域,進而判斷表盤位置及圈數(shù),達(dá)到水表計量的目的。
水表計量無磁檢測示意圖
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,下圖列出了表盤轉(zhuǎn)動過程中對應(yīng)LC振蕩的正弦波衰減變化過程圖。
轉(zhuǎn)子狀態(tài)A對應(yīng)衰減波形
轉(zhuǎn)子狀態(tài)B對應(yīng)衰減波形
轉(zhuǎn)子狀態(tài)C對應(yīng)衰減波形
轉(zhuǎn)子狀態(tài)D對應(yīng)衰減波形
通過分析,得到Sensor1/Sensor2狀態(tài)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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Sensor1/Sensor2的正弦波衰減趨勢獲取對應(yīng)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(zhuǎn)速。
用低電平表示衰減較快,高電平表示衰減較慢,得到下列關(guān)系:
傳感器檢測位置邏輯圖
那么關(guān)鍵問題是,MCU如何更有效檢測Sensor1與Sensor2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 32bit MCU內(nèi)置Low Energy Sensor模塊,將為我們提供一個量身定制用于無磁檢測計量的方案。
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(nèi)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(shù)據(jù)信息;水表閥門開關(guān)控制采用三極管實現(xiàn)的分離驅(qū)動電路來驅(qū)動BDC閥門實現(xiàn);數(shù)據(jù)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(lán)牙等方式來實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。
無磁水表方案框圖
MCU平臺介紹及方案框圖
EFM32TG11B340F64GQ64是基于ARM Cortex-M0+核 MCU,采用最新90nm新工藝設(shè)計,工作頻率可達(dá)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(shè)計需求;32K的Flash空間,4K SRAM;豐富的外設(shè)為集成化設(shè)計提供了便利,內(nèi)部集成可選的超低功耗LCD驅(qū)動達(dá)8*20段位;集成內(nèi)部比較器/運放,12bit ADC及12bit 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(shù);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(chǎn)品中,無磁檢測與低功耗設(shè)計是難點,而MCU內(nèi)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(shè),使無磁水表設(shè)計實現(xiàn)高集成度,縮小體積,降低成本,產(chǎn)品更具市場競爭力。
Silicon Labs MCU 開發(fā)環(huán)境Simplicity Studio支持多種標(biāo)準(zhǔn)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。
EFM32TG11Bxxx內(nèi)部框圖
Low Energer Sensor介紹
Low Energer Sensor在Silicon Labs的高性能32bit MCU中作為一個標(biāo)準(zhǔn)外設(shè),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(shè)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(shù)據(jù)與通過高精度DAC生成的參考電壓進行比較,通過比較翻轉(zhuǎn)邏輯來判斷輸入電壓與參考電壓的高低,輸出結(jié)果為翻轉(zhuǎn)次數(shù),這些結(jié)果將存儲在設(shè)定區(qū)域中,并通過預(yù)設(shè)的時序邏輯處理,計數(shù)處理,從而通過多次結(jié)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(dāng) 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(shù)器的幾乎所有傳感器接口任務(wù)。只有在傳感器讀數(shù)改變并且達(dá)到觸發(fā)閾值,或者需要更高級別的校準(zhǔn)時,才需要喚醒至 EM0(運行模式),大大簡化產(chǎn)品的低功耗設(shè)計要求。在EM2模式下,MCU電流參數(shù)為1.54μA左右。?
Low Energer Sensor模塊框圖
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。
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(guān)對電容充電,定時斷開。
充電開關(guān)圖示
2延時
在剛充電到一段時間內(nèi),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(jù)LC參數(shù)及電感渦流大小來調(diào)整的,需要通過實驗測試得到合適的值。
延時圖示
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Sensor1與Sensor2的狀態(tài)得到轉(zhuǎn)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(diào)整比較器參考電壓的方法來判斷衰減情況,如檢測圖示:
檢測圖示
圖中紅色基準(zhǔn)線為通過DAC調(diào)整的參考電壓點,該參考點可按實際參數(shù)來通過DAC調(diào)整輸出從而調(diào)整該參考點的。可以看到,調(diào)整到合適的參考點,處于金屬區(qū)的Sensor因為衰減較快,所以很快電壓處于基準(zhǔn)線以下,所對應(yīng)比較器翻轉(zhuǎn)次數(shù)就少;而處于非金屬區(qū)的Sensor,因為衰減較慢,電壓衰減到基準(zhǔn)線以下的時間相對較長,所對應(yīng)的比較器翻轉(zhuǎn)次數(shù)就多。
一個關(guān)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(dá)到抵消外部干擾的目的,做到真正的無磁抗干擾的效果。
4處理
將本次獲得的轉(zhuǎn)子位置存儲,并與上次獲得位置進行分析,符合順轉(zhuǎn)或者逆轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)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。
Low Energer Sensor處理邏輯圖
其他功能應(yīng)用
LCD驅(qū)動(可選):LCD驅(qū)動器能夠驅(qū)動多達(dá)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(qū)動電源。還提供一個專用的電荷再分配驅(qū)動器可以減少40%LCD驅(qū)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(yù)。
?
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32.76K時鐘下工作在9600bps波特率,提高效率降低功耗。
其他功能:PWM驅(qū)動高效實現(xiàn)電機的開合;12bitADC實現(xiàn)電池電量檢測及電機過流保護等。
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(dá)600 nA,輸入范圍1.4-6.0V,高輸出精度±20 mV(1%),可以有助于實現(xiàn)內(nèi)部參考源的穩(wěn)定性及精度,提高產(chǎn)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(shù)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(chǎn)品的性能.
-
傳感器
+關(guān)注
關(guān)注
2550文章
51035瀏覽量
753084
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
評論