EFM32應(yīng)用方案——電磁流量計(jì)

概述

電磁流量計(jì)是一種測量導(dǎo)電介質(zhì)體積流量的計(jì)量儀表，具有測量精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高等特點(diǎn)。電磁流量計(jì)除可測量一般導(dǎo)電液體的流量外，還可測量液固兩相液體、高粘度液體及鹽類、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿液體的體積流量，可廣泛應(yīng)用于水泥、化工、輕紡、冶金、礦山、造紙、醫(yī)藥、給排水、食品飲料、環(huán)保等工業(yè)技術(shù)部門，其產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和可靠性對上述企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有著重要的影響。

傳統(tǒng)電磁流量計(jì)一般采用8位或16位的單片機(jī)，單片機(jī)處理性能較弱和外圍接口少，同時不合適做低功耗設(shè)計(jì)；針對用電池供電的電磁流量計(jì)，系統(tǒng)需使用低功耗、高處理性的32 位處理器，為此以下將詳細(xì)闡述基于EFM32的電池供電的電磁流量計(jì)方案。

電磁檢測原理

電磁流量計(jì)的工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。在電磁流量計(jì)中，測量管內(nèi)的導(dǎo)電介質(zhì)相當(dāng)于法拉第試驗(yàn)中的導(dǎo)電金屬桿，上下兩端的兩個電磁線圈產(chǎn)生恒定磁場。當(dāng)有導(dǎo)電介質(zhì)流過時，則會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，工作原理如圖1所示。管道內(nèi)部的兩個電極測量產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。測量管道通過不導(dǎo)電的內(nèi)襯（橡膠，特氟隆等）實(shí)現(xiàn)與流體和測量電極的電磁隔離。

圖1 電磁流量計(jì)原理圖

B－磁通密度；D－測量管內(nèi)徑；V－流量信號（電動勢）；U－液體平均軸向流速；則

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電壓強(qiáng)度可用下面的簡式表達(dá)： V=kBLeU。

在圓形管道中，體積流量是：

由上式可見，體積流量qv與感應(yīng)電動勢v和測量管內(nèi)徑D成線性關(guān)系，與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成反比，與其它物理參數(shù)無關(guān)。這就是電磁流量計(jì)測量導(dǎo)電液體體積流量的原理。

系統(tǒng)框架

基于EFM32的電磁流量計(jì)主要包括微控制器、流量傳感器、系統(tǒng)電源、信號調(diào)理電路，共4個部分，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 電磁流量計(jì)系統(tǒng)框架

微控制器

電磁流量計(jì)的主控MCU可以選取帶LCD驅(qū)動能力的EFM32TG840F32或EFM32G840F128，由于EFM32的產(chǎn)品各系列之間對應(yīng)型號引腳直接兼容，用戶可根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目功能需求進(jìn)行功能裁剪或升級。主控MCU通過DA輸出勵磁信號驅(qū)動流量傳感器的勵磁線圈產(chǎn)生磁場，并負(fù)責(zé)采集與處理流量傳感器輸出的感應(yīng)電動勢，同時可控制按鍵、顯示等人機(jī)界面；勵磁信號可采用三值低頻方波勵磁形式，如圖3所示；

圖 3 勵磁信號波形

流量傳感器

電磁流量計(jì)的主要特點(diǎn)：傳感器結(jié)構(gòu)簡單，沒有機(jī)械轉(zhuǎn)動測量部件；在測量過程中，不受被測介質(zhì)溫度、粘度、密度以及電導(dǎo)率（在一定范圍內(nèi)）的影響；量程范圍極寬，并只與被測介質(zhì)的平均流速成正比，而與軸對稱分布下的流動狀態(tài)（層流、湍流）無關(guān)，而且反應(yīng)靈敏，線性好。

系統(tǒng)電源

電磁流量計(jì)為電池供電，EFM32的工作電壓為1.85~3.8V，工作電壓范圍比較寬，在一些3.6V的電池供電系統(tǒng)中無需前端添加LDO芯片。

方案優(yōu)勢

相對于傳統(tǒng)的8位、16位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的電磁流量計(jì)，基于EFM32實(shí)現(xiàn)的本方案具有以下優(yōu)勢：

超低功耗

EFM32是全球最低功耗的32位微控制器，RTC、DMA可運(yùn)行的EM2模式下，功耗電流僅為900nA，不運(yùn)行RTC的模式下可低至600nA，而在不保存RAM數(shù)據(jù)時更是只有20nA。同時，片上更是集成了低功耗外設(shè)：低功耗UART及I2C可運(yùn)行于EM2模式下，可在CPU睡眠模式下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)及數(shù)據(jù)識別喚醒。由于電磁流量計(jì)為電池供電，對功耗有一定的要求，在對功耗要求比較高的場合甚至可由EFM32控制各模塊的供電，最大限度的提高其待機(jī)時間，因此EFM32的低功耗具有明顯的優(yōu)勢。

降低成本

EFM32采用ARM公司的Cortex-M3內(nèi)核設(shè)計(jì)，其運(yùn)算性能優(yōu)異，支持硬件乘法器及除法器，支持ARM和Thumb2指令集，使程序代碼密度高，執(zhí)行效率快。片上集成有AD、DA信號采集與輸出模塊。在顯示上，EFM32集成了最高達(dá)8*36段LCD驅(qū)動，LG和GG系列可支持320*240的16位TFT的RGB驅(qū)動，在帶顯示產(chǎn)品上可節(jié)省顯示驅(qū)動IC。

后續(xù)EFR產(chǎn)品

Energy Micro后續(xù)會推出RF與MCU的SOC產(chǎn)品，在連續(xù)接收模式下只有4mA，在400MHz 0dBm的發(fā)送功率下5mA，10dBm時為14mA，最大輸出功率為17dBm。最大接收靈敏度為-121dBm 。傳輸速度可高達(dá)4Mbit/s。它對于實(shí)現(xiàn)無線抄表和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能的電磁流量計(jì)非常適合。

總結(jié)

EFM32具有優(yōu)異的低功耗特性，非常適合于對于用電池供電的電磁流量計(jì)應(yīng)用。EFM32內(nèi)核采用目前流行的Cortex-M3設(shè)計(jì)，極大地縮短了開發(fā)者的開發(fā)時間。EFM32具有豐富的外設(shè)，為系統(tǒng)擴(kuò)展功能及降低成本提供了條件。因此，EFM32非常的適合于電磁流量計(jì)的應(yīng)用。