基于 Silicon Labs MCU的新型無磁水表方案介紹

隨著時代發展，智能水表替代部分傳統機械水表，得到廣泛應用。而智能水表的計量方式也隨著電子技術的發展越來越多樣化，機械表頭檢測，超聲波檢測，有磁檢測等方式相繼問世。但這些方式有明顯局限性：容易受外界電磁干擾或者因為永磁體對水中雜質的累計吸附，造成計量誤差或被人為利用，造成漏計及不計。在這種情況下，無磁計量水表的優勢顯著，其以計量精度高，無磁性，無雜質吸附，不被人為干擾等優點，被廣大水表廠家所青睞。

針對新型無磁水表的設計，Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）的代理商合作伙伴貝能國際撰寫了本篇文章，探討基于Silicon Labs的EFM32系列32位MCU 內部集成的Low Energer Sensor 外設基礎上方便實現無磁水表計量技術方案。除水表外，氣表、熱表采用這種計量方式也非常可行。

無磁檢測原理簡介

無磁水表的基礎原理是LC 振蕩傳感器，如下圖：

LC振蕩電路

在該電路中，通過開關K 調整，可以在LC 電路上實現一個正弦波輸出電路，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，因為存在電感L 的電能消耗，所以將會呈現一個逐步衰減的正弦波輸出。

利用該原理，無磁水表通過檢測該正弦波衰減過程來實現水表計量的。在下圖右邊部分的電路中，圓盤代表水表的表盤轉子，深色區域表示金屬表盤區，白色區域表示為非金屬表盤區，L 為固定的電感線圈。當對該 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。

當電感線圈處于金屬區，會形成電感渦流，導致更大的電能消耗，正弦波衰減速度更快；當電感線圈處于非金屬區，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，可以準確識別出表盤轉子處于哪個區域，進而判斷表盤位置及圈數，達到水表計量的目的。

水表計量無磁檢測示意圖

無磁檢測是通過兩個LC 振蕩電路來實現的，下圖列出了表盤轉動過程中對應LC振蕩的正弦波衰減變化過程圖。

轉子狀態A 對應衰減波形

轉子狀態B 對應衰減波形

轉子狀態C 對應衰減波形

轉子狀態D 對應衰減波形

通過分析，得到Sensor1/Sensor2 狀態在轉子轉動過程中在A（0/1）->B（0/0）->C（1/0）->D（1/1）->A（0/1）->B（0/0）->C（1/0）……中循環出現，我們通過檢測Sensor1/Sensor2的正弦波衰減趨勢獲取對應狀態，再通過不同的組合狀態(A:快/慢 B:快/快 C:慢/快 D:慢/慢)，從而獲得水表的轉速。

用低電平表示衰減快，高電平表示衰減慢，得到下列關系：

傳感器檢測位置邏輯圖

那么關鍵問題是，MCU 如何更有效檢測Sensor1 與Sensor2 的狀態，并使這個過程更簡單又更快速，更低功耗？SiliconLabs 公司 32bit MCU 內置Low Energer Sensor 模塊，將為我們提供一個量身定制用于無磁檢測計量的方案。

MCU平臺介紹及方案框圖

SiliconLabs 公司高性能MCU EFM32TG11B340F64GQ64 是基于ARM Cortex-M0+核 MCU，采用最新90nm 新工藝設計，工作頻率可達48MHz；超低功耗，51 μA/MHz @ 3VSleep Mode，5 種低功耗模式可以靈活滿足各種功耗設計需求；32K 的Flash 空間，4K SRAM；豐富外設為集成化設計提供了便利，內部集成可選的超低功耗LCD 驅動達8*20 段位；集成內部比較器/運放，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大大提高系統效率，通訊接口豐富；雙串口加上一個低功耗串口Low Energy UART，IIC/SPI 都可以支持在DMA 模式下工作；加密算法靈活，支持自動隨機數；提供高進度低功耗RTC 及RTC 備用電源接口；Low Energer Sensor 模塊可以實現電容/電感/電量變化檢測及喚醒機制；抗干擾性強，性能穩定。

在無磁水表產品中，無磁檢測與低功耗設計是難點，而MCU 內部的Low Energy Sensor模塊既為無磁檢測簡化了算法，也降低了系統功耗，同時該芯片又高度集成各種外設，使無磁水表設計實現高集成度，縮小體積，降低成本，產品更具市場競爭力。

SiliconLabs 開發環境Simplicity Studio 支持多種標準C 編譯器Keil/IAR/Hi-teck 等，采用可配置化編程工具SimplicityConfigurators，靈活方便，適合新用戶快速入手。

EFM32TG11Bxxx內部框圖

該方案設計框圖如下：

無磁水表方案框圖

Low Energy Sensor介紹

LowEnerger Sensor 在Silicon Labs 的高性能32bit MCU 中作為一個標準外設，從ARMCortex-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進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據與通過高精度DAC 生成的參考電壓進行比較，通過比較翻轉邏輯來判斷輸入電壓與參考電壓的高低，輸出結果為翻轉次數，這些結果將存儲在設定區域中，并通過預設的時序邏輯處理，計數處理，從而通過多次結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 EFM32TG11Bxxx 處于 EM2（深睡眠模式）時，可自動處理使用模擬比較器、DAC和計數器的幾乎所有傳感器接口任務。只有在傳感器讀數改變并且達到觸發閾值，或者需要更高級別的校準時，才需要喚醒至 EM0（運行模式），大大簡化產品的低功耗設計要求。在EM2模式下，MCU電流參數為1.54μA左右。

LowEnerger Sensor 模塊框圖

Low Energy Sensor無磁檢測的實現

在給LC電路充電后，斷開充電電路，LC電路的振蕩有一個穩定過程，這個過程在檢測算法中需要一個Delay延時來規避檢測，防止誤判。

1,充電：Low EnergerSensor給LC電路中電容C充電。充電時間很短，通DAC0-CHx開關對電容充電，定時斷開。

充電開關圖示

2，延時：在剛充電到一段時間內，正弦波衰減是很緩慢的，這時候需要一段延時，等待有規律的衰減期到來，這段延時是根據LC參數及電感渦流大小來調整的，需要通過實驗測試得到合適的值。

延時圖示

3，檢測：在延時之后，Low EnergerSensor需要判斷此時正弦波的的衰減速度，從而判斷Sensor1與Sensor2的狀態得到轉子位置。因為接收到的是正弦波，所以LowEnerger Sensor通過比較器來測量，并通過調整比較器參考電壓的方法來判斷衰減情況，如檢測圖示：圖中紅色基準線為通過DAC調整的參考電壓點，該參考點可按實際參數來通過DAC調整輸出從而調整該參考點的。

可以看到，調整到合適的參考點，處于金屬區的Sensor因為衰減較快，所以很快電壓處于基準線以下，所對應比較器翻轉次數就少；而處于非金屬區的Sensor，因為衰減較慢，電壓衰減到基準線以下的時間相對較長，所對應的比較器翻轉次數就多。

檢測圖示

4，處理：將本次獲得的轉子位置存儲，并與上次獲得位置進行分析，符合順轉或者逆轉邏輯為合理，一旦不符合變化邏輯，則為無效計量，需要排查或者重新啟動檢測。Low Energer Sensor對以上步驟，通過軟件設置即可以實現，無需客戶自行通過軟件來實現組合外設及控制邏輯，并且在測量完成后自動進入IDIE模式，大大提高效率降低功耗。

Low Energer Sensor處理邏輯圖

其他功能應用

• LCD驅動（可選）：LCD驅動器能夠驅動多達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驅動電源。還提供一個專用的電荷再分配驅動器可以減少40%LCD驅動供電電流。此外，還支持動畫功能，可以在LCD上運行自定義動畫，而無需任何CPU干預。

• 雙串口通訊：可以實現與上位機通訊及外加抄表模塊/通訊模塊等，使用靈活，還提供一個LowEnergyUART，可在32.76K時鐘下工作在9600bps波特率，提高效率降低功耗。

• 其他功能：PWM驅動:高效實現電機的開合;12bitADC:實現電池電量檢測及電機過流保護等。

方案優勢

Silicon Labs的高性能高穩定性MCU EFM32TGxxx，以高度集成的外設，實現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、性能等方面都有明顯優勢，相信未來隨著無磁水表市場的推進，此方案將逐步成為市場主導方案之一，為客戶設計出更有優勢的產品。

以技術服務客戶為核心的貝能國際有限公司，強力推出該新型無磁水表方案，在技術支持上將為客戶提供強全方位支持，包括Silicon Labs MCU開發平臺、無磁檢測算法、硬件設計評估、軟件算法指導及其他技術協助，全力協助客戶完成無磁水表方案的成品量產工作。

該無磁檢測方案性能、成本優勢明顯，設計靈活，同時大大降低無磁檢測技術難度及功耗，并適用于氣表、熱表等其他類似表計方案應用。

參考文獻：

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

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

3，基于單片機的無磁傳感水表設計傳感器與微系統 2006 03:54-56