基于EFM32的无磁热表的方案

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EFM32是由挪威EnergyMicro公司采用Cortex-M3内核设计而来的高性能微控制器，它具有突出的低功耗特性，适用于三表(电表、水表、气表、热表)、工业控制、警报安全系统、健康与运动应用系统、手持式医疗设备以及智能家居控制等领域。
　　针对EFM32的低功耗特性以及LESENSE接口的应用特色，本文将详细阐述基于EFM32的无磁热表的方案。

　　LESENSE简介
　　LESENSE接口是EFM32微控制器利用片上外设实现可配置传感器检测的低功耗接口。传感器接口检测到的结果可由LESENSE配置16状态的状态机进行解码，也可以保存在缓冲区中，由CPU或DMA进行进一步的处理。
　　LESENSE除了能在功耗模式EM0和EM1下工作外，还可以在低功耗模式EM2下，通过配置它为事件输入低功耗唤醒CPU(@1uA)。
　　LESENSE特性
　　EFM32的LESENSE接口具有低功耗、可配置特性灵活的特点：
　　l 多达16通道的传感器接入，支持电感式、电容式、电阻式传感器检测输入;
　　l 在EM0、EM1、EM2模式下，自动进行传感器检测;
　　l 高度可配置的传感器检测结果解码;
　　l 传感器事件中断;
　　l 提供外部传感器可配置使能信号;
　　l 多达16个可保存传感器检测结果的环形缓冲区。
　　无磁热表方案
　　EFM32的LESENSE接口适用于有电感式传感器检测需求的应用领域，例如流量计、水表、热量表、转动位置检测模块等应用。无磁式热表(热量表)方案就是综合EFM32的低功耗特性以及LESENSE实现的无磁传感式流量检测技术而来。
　　(一)应用背景
　　目前传统的热表方案主要采用韦根、霍尔、干簧管等有磁传感器进行流量检测，因此叶轮上需要带有永久磁铁，由于供暖管道的生锈和水质比较差，叶轮上的磁铁很容易吸附水中的铁屑、铁锈等，并形成堆积，从而阻碍了叶轮的转动和增加了磨损，尤其是在停止供热以后，大量的杂质硬化，使叶轮在第二年供热时转动很慢，严重的甚至不能转动，大大影响热量表的使用寿命。同时，由于长时间工作于高温水流中，磁铁磁力会减弱，从而影响到采样的可靠性。有磁传感器的另一个致命弱点是极容易受到外部磁场的干扰，使采样信号发生紊乱，甚至停止工作。因此有磁式流量检测的热表已逐步被市场所淘汰。
　　目前市场上常应用的热表方案分别是无磁式热表和超声波式热表。超声波检测具有精度高，可靠性好的优点，但是超声波检测芯片的价格较贵，整体方案的成本较高。因此，无磁式传感器以其低成本、高精度的特点得到广泛应用。
　　(二)系统结构
　　EFM32主要是依靠检测LESENSE外接的LC振荡电路的阻尼振荡波形的变化来判断外部电感量的变化，从而得到旋转叶轮的转动情况。
　　




　　图1 电感检测原理
　　如图1所示，两个LC传感器固定在叶轮上方，分布在与圆心成90度或180度角。EFM32通过DAC定时输出激励脉冲让LC传感器产生自由振荡。流体流动时带动叶轮转动，由于叶轮的一半涂有具有阻尼特性的金属膜，在叶轮转动时两个LC传感器会交替经过涂有金属膜的部分。当传感器在经过有金属的位置时，LC阻尼振荡的振幅衰减速度快，相反，在经过非金属部分时，LC阻尼振荡振幅衰减的速度就慢，如图2所示。
　　




　　图2 阻尼振荡波形
　　将振荡信号输入到EFM32中的比较器与设定的电压进行比较，即可得到一串脉冲，通过比较两个LC传感器的脉冲个数的变化即可计算出叶轮的运转速度，从而得出流体的流量。由于DAC、LESENSE及模拟比较器都可以在MCU睡眠状态EM2模式下进行工作，因此，整个LC传感器检测的过程中并不需要CPU进行干涉，CPU可以进行其它的任务处理或保持睡眠以使全程运行在低功耗状态，只需要在检测结束后才被唤醒进行结果的处理以及流量的计算。
　　同时，EFM32带有12位的ADC，可支持差分输入，可与PT1000铂电阻实现高精度温度的测量。它片上集成的LCD控制器可实现热表上显示液晶屏的驱动，用于人机交互界面。此外，EFM32片内带有RTC功能模块，可用于时间记录。热表的通信接口可通过EFM32的2路UART扩展为红外通信接口及M-BUS/RS-485总线通信接口。EFM32的工作电压范围为1.8V"3.8V，能够在3.6V锂电池直接供电的情况下工作，并且能够兼容锂电池的浮动电压范围，使得系统的可靠性和稳定性提高。
　　
                          
                       
                          
                                1、低功耗。
　　EFM32具有5种功耗模式，在RTC及低功耗模块运行的EM3模式下，EFM32的功耗仅900nA。EFM32的LESENSE、LEUART以及LETIMER模块均为针对低功耗设计。LESENSE能够在低功耗模式EM2下工作进行流量检测，无需CPU干预，待检测完成后唤醒CPU进行数据的处理及运算。LEUART在9600的波特率下仅为150nA，且支持LEUART接口通信唤醒，适合于热表通信总线中的低功耗应用。热表系统中的温度检测ADC模块在12bit，1Msps的速率下功耗低至350μA。驱动液晶屏显示的LCD Controller能够在低功耗模式下保持显示8×36段的驱动功耗也只需0.55μA。可见，EFM32的低功耗外设功能模块非常适合于热表方案的设计应用。
　　2、运算能力强。
　　EFM32采用ARM公司的Cortex-M3内核设计，其运算性能优异，支持硬件乘法器及除法器，支持ARM和Thumb2指令集，使能程序代码密度高，执行效率快。在热表方案的应用中能够更快速地计算热功率及热量，因此CPU处在正常运行模式时间短，可更多时间处于睡眠状态，降低整体方案的功耗。
　　3、低成本。
　　EFM32片上带有12位ADC和运算放大器，无需外扩ADC芯片即可实现高精度温度检测功能，同时片内集成LESENSE接口系统只需通过简单的LC硬件电路即能实现流量检测无需外扩其他传感器芯片。它还带有片上的RTC与LCD控制器，因此微控制器的集成度比较高，整体方案性价比良好。
　　(四)方案框图
　　基于EFM32TG840F32的热表方案的功能框图如图3所示。
　　




　　图3 EFM32热表方案功能框图
　　总结
　　综上所述，EFM32具有优异的低功耗特性，且集成了个性化的低功耗外设部件，非常适合于三表、智能家居控制、安防监控、便携式医疗等领域的应用。如果您对于EFM32的应用和需求有更多的想法和意向，请您通过以下联系方式与我们联系，北高智公司将竭诚与您交流与沟通。