- EFM32xx系列MCU内部集成实现无磁水表计量技术方案

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。

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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。