無磁水表方案:無磁水表的基礎(chǔ)原理是LC振蕩傳感器

無磁水表

方案具有最節(jié)能的外圍設(shè)備和能耗模式，可以實(shí)現(xiàn)高功能、低功耗的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。同時(shí)具備明顯的性能和成本優(yōu)勢，適用氣表、熱表等其他表計(jì)方案設(shè)計(jì)需求，為開發(fā)人員提供了出色的設(shè)計(jì)靈活性。

隨著時(shí)代發(fā)展，智能水表替代部分傳統(tǒng)機(jī)械水表，得到廣泛應(yīng)用。而智能水表的計(jì)量方式也隨著電子技術(shù)的發(fā)展越來越多樣化，如機(jī)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?yàn)橛来朋w對水中雜質(zhì)的累計(jì)吸附，造成計(jì)量誤差或被人為利用、漏計(jì)及不計(jì)。在這種情況下，無磁計(jì)量水表以其計(jì)量精度高、無磁性、無雜質(zhì)吸附，且不被人為干擾等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)無磁水表計(jì)量技術(shù)方案來做探討。除水表外，氣表、熱表采用這種計(jì)量方式亦同樣可行。

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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(shí)現(xiàn)一個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)水表計(jì)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(gè)區(qū)域，進(jìn)而判斷表盤位置及圈數(shù)，達(dá)到水表計(jì)量的目的。

水表計(jì)量無磁檢測示意圖

無磁檢測是通過兩個(gè)LC振蕩電路組成的傳感器來實(shí)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(jìn)而獲得水表的位置并計(jì)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(gè)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(gè)量身定制用于無磁檢測計(jì)量的方案。

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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(shí)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(shí)現(xiàn)的分離驅(qū)動電路來驅(qū)動BDC閥門實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)采集通過UART來實(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。

無磁水表方案框圖

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MCU平臺介紹及方案原理

EFM32TG11B340F64GQ64是基于ARM Cortex-M0+核 MCU，采用最新90nm新工藝設(shè)計(jì)，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(jì)需求；32K的Flash空間，4K SRAM；豐富的外設(shè)為集成化設(shè)計(jì)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(yùn)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(gè)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(jī)數(shù)；提供高進(jìn)度低功耗RTC及RTC備用電源接口；Low Energer Sensor模塊可以實(shí)現(xiàn)電容/電感/電量變化檢測及喚醒機(jī)制；抗干擾性強(qiáng)，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(jì)是難點(diǎn)，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(shí)該芯片又高度集成各種外設(shè)，使無磁水表設(shè)計(jì)實(shí)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(gè)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(jìn)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(jìn)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(shí)序邏輯處理，計(jì)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(shí)，可自動處理使用模擬比較器、DAC 和計(jì)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(shí)，才需要喚醒至 EM0（運(yùn)行模式），大大簡化產(chǎn)品的低功耗設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)穩(wěn)定過程，這個(gè)過程在檢測算法中需要一個(gè)Delay延時(shí)來規(guī)避檢測，防止誤判。

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充電

Low Energer Sensor給LC電路中電容C充電。充電時(shí)間很短，通DAC0-CHx開關(guān)對電容充電，定時(shí)斷開。

充電開關(guān)圖示

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延時(shí)

在剛充電到一段時(shí)間內(nèi)，正弦波衰減是很緩慢的，這就需要一段延時(shí)，等待有規(guī)律的衰減期到來，這段延時(shí)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(shí)驗(yàn)測試得到合適的值。

延時(shí)圖示

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檢測

在延時(shí)之后，Low Energer Sensor需要判斷此時(shí)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?yàn)榻邮盏降氖钦也ǎ訪ow 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(diǎn)，該參考點(diǎn)可按實(shí)際參數(shù)來通過DAC調(diào)整輸出從而調(diào)整該參考點(diǎn)的?？梢钥吹?，調(diào)整到合適的參考點(diǎn)，處于金屬區(qū)的Sensor因?yàn)樗p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?yàn)樗p較慢，電壓衰減到基準(zhǔn)線以下的時(shí)間相對較長，所對應(yīng)的比較器翻轉(zhuǎn)次數(shù)就多。

一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是：無磁檢測表面上對磁性干擾是不影響的，但是實(shí)際在強(qiáng)磁干擾下，磁場會改變正弦波的衰減波形，造成計(jì)量的誤差甚至誤計(jì)/不計(jì)。這時(shí)候我們需要通過檢測狀態(tài)變化的時(shí)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。

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處理

將本次獲得的轉(zhuǎn)子位置存儲，并與上次獲得位置進(jìn)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(jì)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(shí)現(xiàn)，無需客戶自行通過軟件來實(shí)現(xiàn)組合外設(shè)及控制邏輯，并且在測量完成后自動進(jìn)入IDIE模式，大大提高效率降低功耗。

Low Energer Sensor處理邏輯圖

方案其他功能模塊：

?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(gè)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(yùn)行自定義動畫，且無需任何CPU干預(yù)。

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?雙串口通訊：可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊及外加抄表模塊/通訊模塊等，使用靈活，還提供一個(gè)Low Energy UART，可在32.76K時(shí)鐘下工作在9600bps波特率，提高效率降低功耗。

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?其他功能：PWM驅(qū)動高效實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開合；12bitADC實(shí)現(xiàn)電池電量檢測及電機(jī)過流保護(hù)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(shí)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(gè)產(chǎn)品的性能。

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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(shè)，實(shí)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、性能等方面極具優(yōu)勢。隨著無磁水表市場的推進(jìn)，此方案未來將成為市場主導(dǎo)方案之一。

貝能國際有限公司致力表類產(chǎn)品智能化、全電子化方向快速發(fā)展，強(qiáng)力推出該新型無磁水表方案。該方案具有節(jié)能的外圍設(shè)備和能耗模式，可以實(shí)現(xiàn)高功能、低功耗的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)靈活，大大降低無磁檢測技術(shù)難度及功耗，同時(shí)適用氣表、熱表等其他表計(jì)方案設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)評估、軟件算法指導(dǎo)及其他支持，為開發(fā)人員提供出色的設(shè)計(jì)靈活性，全力以赴幫助客戶快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及量產(chǎn)。