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紅外通信電路模塊 - 基于GP21+EFM32的超低功耗超聲波熱量表電路模塊設(shè)計

作者: 時間:2016-10-22 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

基于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,它將成為方案中的最優(yōu)之選。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201610/309275.htm

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(shè)計而來,對比于傳統(tǒng)的8位、16位單片機(jī),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(yīng)熱表上運用的16位單片機(jī)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。可見,采用EFM32TG840可以讓有更好的運算性能,從而使得整機(jī)可以縮短處在運行計算狀態(tài)狀態(tài),達(dá)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)動超聲波熱量表液晶屏的需求,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(dá)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。

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圖2 主控MCU及顯示電路

EFM32TG840的I/O可以設(shè)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。

TDC-GP21超聲波采集電路模塊

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(guān)以及低噪聲斬波穩(wěn)定(自動進(jìn)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(jìn)行高精度的測量,測量的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)行供電,并增加去耦雙通道濾波電路以達(dá)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(jìn)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。

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圖3 TDC-GP21電路圖

MBUS通信電路模塊

超聲波熱量表通過MBUS(Meter Bus)總線通信進(jìn)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(jìn)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(jī)之間的電平,同時該收發(fā)器可由總線供電,對從機(jī)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。

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圖4 TSS721A連接電路

電路模塊

根據(jù)《CJ/T 188-2004》技術(shù)規(guī)范文檔,超聲波熱量表采用38KHz的載波對通信數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)備對超聲波熱量表進(jìn)行抄表。電路如圖5所示。

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