采用32位MCU系列对新型无磁水表设计

基于 Silicon Labs MCU的新型无磁水表方案介绍

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，机械表头检测，超声波检测，有磁检测等方式相继问世。但这些方式有明显局限性：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，造成漏计及不计。在这种情况下，无磁计量水表的优势显著，其以计量精度高，无磁性，无杂质吸附，不被人为干扰等优点，被广大水表厂家所青睐。

针对新型无磁水表的设计，Silicon Labs（亦称“芯科科技”）的代理商合作伙伴贝能国际撰写了本篇文章，探讨基于Silicon Labs的EFM32系列32位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。除水表外，气表、热表采用这种计量方式也非常可行。

无磁检测原理简介

无磁水表的基础原理是LC 振荡传感器，如下图：

LC振荡电路

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，因为存在电感L 的电能消耗，所以将会呈现一个逐步衰减的正弦波输出。

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的。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)，从而获得水表的转速。

用低电平表示衰减快，高电平表示衰减慢，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又更快速，更低功耗？SiliconLabs 公司 32bit MCU 内置Low Energer 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。

MCU平台介绍及方案框图

SiliconLabs 公司高性能MCU 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48MHz；超低功耗，51 μA/MHz @ 3VSleep 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 Energy 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。

SiliconLabs 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SimplicityConfigurators，灵活方便，适合新用户快速入手。

EFM32TG11Bxxx内部框图

该方案设计框图如下：

无磁水表方案框图

Low Energy Sensor介绍

LowEnerger Sensor 在Silicon Labs 的高性能32bit MCU 中作为一个标准外设，从ARMCortex-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。

LowEnerger Sensor 模块框图

Low Energy 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 EnergerSensor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，这时候需要一段延时，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 EnergerSensor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LowEnerger 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：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。

检测图示

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，还支持动画功能，可以在LCD上运行自定义动画，而无需任何CPU干预。

• 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LowEnergyUART，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。

方案优势

Silicon Labs的高性能高稳定性MCU EFM32TGxxx，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、性能等方面都有明显优势，相信未来随着无磁水表市场的推进，此方案将逐步成为市场主导方案之一，为客户设计出更有优势的产品。

以技术服务客户为核心的贝能国际有限公司，强力推出该新型无磁水表方案，在技术支持上将为客户提供强全方位支持，包括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技术协助，全力协助客户完成无磁水表方案的成品量产工作。

该无磁检测方案性能、成本优势明显，设计灵活，同时大大降低无磁检测技术难度及功耗，并适用于气表、热表等其他类似表计方案应用。

参考文献：

1、EFM32TG11 FamilyData Sheet https://www.silabs.com

2、Low Energy SensorAN0029 - Application Note https://www.silabs.com

3，基于单片机的无磁传感水表设计传感器与微系统 2006 03:54-56