EFM32xx系列MCU内部集成实现无磁水表计量技术方案

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SiliconLabs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。