基于EFM32的无磁热表的方案

2012-02-13 16:06:59来源: 互联网
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。

  

电感检测原理

 

  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。

关键字:EFM32  无磁热表

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0213/article_14272.html
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