基于GP21+EFM32 的超低功耗超聲波熱量表設計

隨著生活質(zhì)量的提高人們對于居住舒適度的要求，我國北方地區(qū)的樓宇建設都將普遍推廣熱量表到戶，用于冬天的暖氣供應。自從2009 年起，我國北方進行了供熱改革，至今已卓見成效。預計未來幾年按熱量計費將是北方供暖改革的重要方向。而熱量表更是供熱系統(tǒng)中的關鍵部件，它負責熱量的計算、記錄和數(shù)據(jù)傳送工作。超聲波熱量表由于其測量方式無接觸部件，且具有低壓降、低能量消耗、測量精度高的優(yōu)勢，所以它正在逐漸取代機械式的熱量表，成為北方供熱供暖計量方案的首選。

基于Energymicro 公司的32 位Cortex-M3 內(nèi)核的超低功耗微控制器EFM32 與ACAM公司的高集成度TDC-GP21 芯片推出的超聲波熱量表方案，能夠充分發(fā)揮EFM32 的超低功耗與高運算能力的特點及GP21 高精度的測量能力，它將成為超聲波熱量表方案中的最優(yōu)之選。

系統(tǒng)框架

圖1 所示，超聲波熱量表包括超低功耗微控制器EFM32TG840F32、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP21（熱敏電阻PT1000、超聲波換能器）、LCD 顯示液晶屏、操作按鍵、紅外通信電路及MBUS 通信電路。整個系統(tǒng)由3.6V 鋰電池供電，考慮到TDC-GP21 的供電電壓將電壓轉(zhuǎn)換為3.3V。

圖1 超聲波熱量表方案框圖

硬件設計

1、主控及顯示部分

超聲波主控MCU 采用EFM32TG840F32，它是基于ARM 公司的32 位Cortex-M3 內(nèi)核設計而來，對比于傳統(tǒng)的8 位、16 位單片機，它具有更高的運算和數(shù)據(jù)處理能力，更高的代碼密度，更低的功耗。實際數(shù)據(jù)顯示，EFM32TG840 在執(zhí)行32 位乘法運算僅需4 個內(nèi)核時鐘周期，32 位除法運算僅需8 個內(nèi)核時鐘周期，而相應熱表上運用的16 位單片機卻分別需要50 和465 個時鐘周期。而恰恰在時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21 上采集得到的數(shù)據(jù)均是32 位長度，因此在運算和熱量計算時均是32 位的數(shù)據(jù)運算?？梢?，采用EFM32TG840 可以讓超聲波熱量表有更好的運算性能，從而使得整機可以縮短處在運行計算狀態(tài)狀態(tài)，達到降低運行功耗的效果。

EFM32TG840 具有EM0-EM4 共5 種低功耗模式。在EM2 的低功耗模式下，微控制器仍可實現(xiàn)RTC 運行，LEUART、LETIMER 及LESENSE 的通信或控制功能，而功耗僅需900你A。而且它具有靈活的喚醒方式和自主工作的PRS 系統(tǒng)，可以由外部I/O、I2C 通信接口、LEUART 通信信號等等方式喚醒。

EFM32TG840 集成了8×20 段的LCD 驅(qū)動器，滿足直接驅(qū)動超聲波液晶屏的段式液晶屏，而功耗僅為550nA。EFM32TG840 的LCD 驅(qū)動器內(nèi)部集成電壓升壓功能和對比度調(diào)節(jié)功能，可實現(xiàn)在芯片內(nèi)部VCMP 電壓比較器監(jiān)控VDD 電壓，分等級開啟LCD 升壓及對比度調(diào)節(jié)，達到LCD 的現(xiàn)象效果良好，即使系統(tǒng)電池隨著使用時間增加出現(xiàn)電壓跌落現(xiàn)象。

圖2 主控MCU 及顯示電路

EFM32TG840 的I/O 可以設置為低功耗模式喚醒及GPIO 中斷模式，因此外部操作按鈕可以在低功耗條件下實現(xiàn)交互控制動作。

2、TDC-GP21 超聲波采集部分

TDC-GP21 是德國ACAM 公司在2011 年11 月底推出的新一代專門針對超聲波熱量表檢測計量所用的數(shù)字時間轉(zhuǎn)換器。TDC-GP21 芯片采用QFN32 封裝，除了具備TDC-GP2的功能外，還額外集成了超聲波熱量表所需要的信號處理模擬部分，例如模擬開關以及低噪聲斬波穩(wěn)定（自動進行溫度電壓校正）模擬信號比較器。TDC-GP21 溫度部分集成了施密特觸發(fā)器，可直接接上溫度傳感器和參考電阻，就可以進行高精度的測量，測量的性能遠遠超過熱量表所需的要求。7x32bit 的EEPROM 單元，可用于存儲熱量表整表的ID 信息及配置寄存器信息。

TDC-GP21 需要兩個供電電壓，分別是核心電壓VCC 和I/O 電壓Vio，在本方案中采用了ACAM 推薦的兩個供電電壓使用相同的電壓源進行供電，并增加去耦雙通道濾波電路以達到降低系統(tǒng)噪聲的效果。其他部分電路例如換能器、PTC 電阻的連接以及晶體的接法均采用原廠提供的官方參考電路進行搭建。在時鐘方面TDC-GP21 將輸出32.768KHz 時鐘，為EFM32TG840F32 提供低頻時鐘，可節(jié)省主控MCU 的低頻晶振。

圖3 TDC-GP21 電路圖

3、MBUS 通信部分

超聲波熱量表通過MBUS（Meter Bus）總線通信進行自動抄表?，F(xiàn)場的熱量表可通過MBUS 將數(shù)據(jù)上傳到集中器，然后由集中器或再上一級集中器將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)或無線GPRS 通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓┡行牡暮笈_，進行計費及管理。本方案中采用TI 公司的MBUS 芯片為TSS721A。TSS721A 是一種用于儀表總線的收發(fā)器集成芯片，其內(nèi)含接口電路可以調(diào)節(jié)儀表總線結(jié)構(gòu)中主從機之間的電平，同時該收發(fā)器可由總線供電，對從機不增加功率需求，總線可無極性連接。TSS721A 的連接電路如圖4 所示。

圖4 TSS721A 連接電路

4、紅外通信部分

根據(jù)《CJ/T 188-2004》技術規(guī)范文檔，超聲波熱量表紅外通信采用38KHz 的載波對通信數(shù)據(jù)進行調(diào)制且有效通信距離大于2m，選用波長為940nm 的紅外發(fā)射管與接收管。供熱管理人員可以使用手持紅外抄表設備對超聲波熱量表進行抄表。紅外通信電路如圖5 所示。

圖5 紅外通信電路

軟件設計

超聲波熱量表方案的軟件部分可以劃分為3 個部分：TDC-GP21 的檢測計量部分、紅外及MBUS 的抄表通信部分、按鍵液晶屏的顯示交互部分。

針對TDC-GP21 的檢測計量軟件部分可參考ACAM 官方提供技術文檔，它提供了TDC-GP21 在單次采集的軟件配置及實現(xiàn)過程。熱量表通過計算超聲波上游和下游的時間差，進而通過公式計算得到流量，然后通過對PT1000 的測量和計算可以采集得到進水口熱水與出水口冷水的溫度差。最終通過熱量熵積分Q=cmΔt，計算得到熱量的值。而在實際采集當中，為了更精確的熱量計算值，軟件設計者可對非線性參數(shù)增加相應的補償處理。

對于熱量表的通信抄表部分的軟件設計，軟件設計者在實現(xiàn)的紅外與MBUS 的底層串行通信后，可參考《CJ 188-2004 戶用計量儀表數(shù)據(jù)傳輸技術條件》上所要求的抄表命令、抄表通信數(shù)據(jù)幀格式、抄表應答數(shù)據(jù)要求進行相應的軟件編寫。

熱量表的人機交互軟件部分主要是根據(jù)用戶的按鍵操作實現(xiàn)對應的查詢數(shù)據(jù)的顯示。對于EFM32TG840 的液晶屏控制器底層驅(qū)動，軟件設計者控制起來非常方便，在執(zhí)行完LCD控制器的初始化后，向?qū)腟EG 段寄存器操作對應的數(shù)據(jù)位，即可將液晶屏上對應的段碼點亮顯示。綜合段碼顯示內(nèi)容及用戶操作即可實現(xiàn)交互部分的軟件設計。

方案優(yōu)勢

基于EFM32TG840 與TDC-GP21 實現(xiàn)的超聲波熱量表方案具有的優(yōu)勢包括：

1、相對于傳統(tǒng)的8 位、16 位單片機，EFM32TG840 以Cortex-M3 為內(nèi)核，具有更強運算處理能力，使整表的性能得到提升；

2、EFM32TG840 與TDC-GP21 均具有低功耗的優(yōu)勢，綜合使得整機的功耗更低，增長熱量表的電池壽命，間接降低了整表對于電池的需求成本；

3、EFM32TG840 集成了LCD 控制器、RTC，以及它的Flash 可用于數(shù)據(jù)存儲功能，使得整體方案的外圍元件減少，降低方案成本。

總結(jié)

綜述上文，以EFM32TG840 為主控MCU，TDC-GP21 為關鍵檢測元器件而設計的超聲波熱量表，充分地發(fā)揮了EFM32TG840 的高性能、低功耗、良好集成度的特點，結(jié)合了數(shù)字時間轉(zhuǎn)換器TDC-GP21 的高精度、低功耗的優(yōu)勢，使得它將成為供暖系統(tǒng)熱計量部分的最佳選擇。