基于EFM32的無磁熱表的方案

EFM32是由挪威EnergyMicro公司采用Cortex-M3內(nèi)核設(shè)計(jì)而來的高性能微控制器，它具有突出的低功耗特性，適用于三表(電表、水表、氣表、熱表)、工業(yè)控制、警報(bào)安全系統(tǒng)、健康與運(yùn)動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)、手持式醫(yī)療設(shè)備以及智能家居控制等領(lǐng)域。

　　針對(duì)EFM32的低功耗特性以及LESENSE接口的應(yīng)用特色，本文將詳細(xì)闡述基于EFM32的無磁熱表的方案。

　　LESENSE簡介

　　LESENSE接口是EFM32微控制器利用片上外設(shè)實(shí)現(xiàn)可配置傳感器檢測的低功耗接口。傳感器接口檢測到的結(jié)果可由LESENSE配置16狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行解碼，也可以保存在緩沖區(qū)中，由CPU或DMA進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

　　LESENSE除了能在功耗模式EM0和EM1下工作外，還可以在低功耗模式EM2下，通過配置它為事件輸入低功耗喚醒CPU(@1uA)。

　　LESENSE特性

　　EFM32的LESENSE接口具有低功耗、可配置特性靈活的特點(diǎn)：

　　l 多達(dá)16通道的傳感器接入，支持電感式、電容式、電阻式傳感器檢測輸入;

　　l 在EM0、EM1、EM2模式下，自動(dòng)進(jìn)行傳感器檢測;

　　l 高度可配置的傳感器檢測結(jié)果解碼;

　　l 傳感器事件中斷;

　　l 提供外部傳感器可配置使能信號(hào);

　　l 多達(dá)16個(gè)可保存?zhèn)鞲衅鳈z測結(jié)果的環(huán)形緩沖區(qū)。

　　無磁熱表方案

　　EFM32的LESENSE接口適用于有電感式傳感器檢測需求的應(yīng)用領(lǐng)域，例如流量計(jì)、水表、熱量表、轉(zhuǎn)動(dòng)位置檢測模塊等應(yīng)用。無磁式熱表(熱量表)方案就是綜合EFM32的低功耗特性以及LESENSE實(shí)現(xiàn)的無磁傳感式流量檢測技術(shù)而來。

　　(一)應(yīng)用背景

　　目前傳統(tǒng)的熱表方案主要采用韋根、霍爾、干簧管等有磁傳感器進(jìn)行流量檢測，因此葉輪上需要帶有永久磁鐵，由于供暖管道的生銹和水質(zhì)比較差，葉輪上的磁鐵很容易吸附水中的鐵屑、鐵銹等，并形成堆積，從而阻礙了葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)和增加了磨損，尤其是在停止供熱以后，大量的雜質(zhì)硬化，使葉輪在第二年供熱時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)很慢，嚴(yán)重的甚至不能轉(zhuǎn)動(dòng)，大大影響熱量表的使用壽命。同時(shí)，由于長時(shí)間工作于高溫水流中，磁鐵磁力會(huì)減弱，從而影響到采樣的可靠性。有磁傳感器的另一個(gè)致命弱點(diǎn)是極容易受到外部磁場的干擾，使采樣信號(hào)發(fā)生紊亂，甚至停止工作。因此有磁式流量檢測的熱表已逐步被市場所淘汰。

　　目前市場上常應(yīng)用的熱表方案分別是無磁式熱表和超聲波式熱表。超聲波檢測具有精度高，可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，但是超聲波檢測芯片的價(jià)格較貴，整體方案的成本較高。因此，無磁式傳感器以其低成本、高精度的特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。

　　(二)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　EFM32主要是依靠檢測LESENSE外接的LC振蕩電路的阻尼振蕩波形的變化來判斷外部電感量的變化，從而得到旋轉(zhuǎn)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。

　　圖1 電感檢測原理

　　如圖1所示，兩個(gè)LC傳感器固定在葉輪上方，分布在與圓心成90度或180度角。EFM32通過DAC定時(shí)輸出激勵(lì)脈沖讓LC傳感器產(chǎn)生自由振蕩。流體流動(dòng)時(shí)帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于葉輪的一半涂有具有阻尼特性的金屬膜，在葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)兩個(gè)LC傳感器會(huì)交替經(jīng)過涂有金屬膜的部分。當(dāng)傳感器在經(jīng)過有金屬的位置時(shí)，LC阻尼振蕩的振幅衰減速度快，相反，在經(jīng)過非金屬部分時(shí)，LC阻尼振蕩振幅衰減的速度就慢，如圖2所示。

　　圖2 阻尼振蕩波形

　　將振蕩信號(hào)輸入到EFM32中的比較器與設(shè)定的電壓進(jìn)行比較，即可得到一串脈沖，通過比較兩個(gè)LC傳感器的脈沖個(gè)數(shù)的變化即可計(jì)算出葉輪的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，從而得出流體的流量。由于DAC、LESENSE及模擬比較器都可以在MCU睡眠狀態(tài)EM2模式下進(jìn)行工作，因此，整個(gè)LC傳感器檢測的過程中并不需要CPU進(jìn)行干涉，CPU可以進(jìn)行其它的任務(wù)處理或保持睡眠以使全程運(yùn)行在低功耗狀態(tài)，只需要在檢測結(jié)束后才被喚醒進(jìn)行結(jié)果的處理以及流量的計(jì)算。

　　同時(shí)，EFM32帶有12位的ADC，可支持差分輸入，可與PT1000鉑電阻實(shí)現(xiàn)高精度溫度的測量。它片上集成的LCD控制器可實(shí)現(xiàn)熱表上顯示液晶屏的驅(qū)動(dòng)，用于人機(jī)交互界面。此外，EFM32片內(nèi)帶有RTC功能模塊，可用于時(shí)間記錄。熱表的通信接口可通過EFM32的2路UART擴(kuò)展為紅外通信接口及M-BUS/RS-485總線通信接口。EFM32的工作電壓范圍為1.8V~3.8V，能夠在3.6V鋰電池直接供電的情況下工作，并且能夠兼容鋰電池的浮動(dòng)電壓范圍，使得系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提高。