測(cè)試測(cè)量設(shè)計(jì)實(shí)例（一）

　　決定水表計(jì)量精度主要有兩個(gè)主要因素：

　?。保畟鞲衅鳒?zhǔn)確感應(yīng)基表葉輪轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)

　?。玻恳蝗α鬟^(guò)的水量

　　由于采用磁阻檢測(cè)計(jì)量，減少了傳統(tǒng)電子水表必需的多個(gè)計(jì)數(shù)齒輪，簡(jiǎn)化了機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的設(shè)計(jì)，減小了葉輪的負(fù)載，對(duì)小流速水流提高了檢測(cè)靈敏度，提升了水表始動(dòng)流量檢測(cè)的性能；A，B輸出連續(xù)的波形，根據(jù)相位差最小可以檢測(cè)到葉輪1/8周的轉(zhuǎn)動(dòng)，并依據(jù)特定相位差的時(shí)間序列可以用于水流方向的檢測(cè)和計(jì)量，對(duì)于葉輪抖動(dòng)或其它因素造成的異常時(shí)間序列可以予以篩除，提高了圈數(shù)統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性，特別是小水流情況下的測(cè)量精準(zhǔn)度。

　　一般來(lái)說(shuō)，水表在不同流速下的誤差是不同的（高流速誤差小、低流速誤差大），該方案由于可以測(cè)量水表當(dāng)前的流速，可以通過(guò)對(duì)不同流速的誤差進(jìn)行軟件修正和補(bǔ)償，由于涉水部分機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件簡(jiǎn)單，測(cè)量的重復(fù)性好，配合計(jì)量標(biāo)定過(guò)程，在機(jī)械結(jié)構(gòu)基本不變的前提下，大大提高了水表水量檢測(cè)的準(zhǔn)確度等級(jí)。

　　另外方案還可以支持多種滴漏，水流反向等檢測(cè)功能，為遠(yuǎn)程控制提供了必要的技術(shù)手段。

　　系統(tǒng)簡(jiǎn)單，高度集成，外圍器件少，可靠性提高

　　除了傳統(tǒng)的機(jī)械部分外，系統(tǒng)主要的元器件為專(zhuān)用處理芯片S1C17M01和AMR傳感器芯片。專(zhuān)為流量檢測(cè)設(shè)計(jì)的S1C17M01 內(nèi)部集成AMR控制器，包括模擬前端（AFE），帶磁滯功能的比較器，相位/圈數(shù)計(jì)數(shù)器等功能電路，可以直接連接AMR傳感器毫伏級(jí)輸出，減少了以往多個(gè)外圍分離器件；豐富的周邊電路包括128段液晶驅(qū)動(dòng)器，定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、低電壓檢測(cè)，R/F轉(zhuǎn)換器，多種串行接口等，可以方便的連接段碼液晶，溫度傳感器，外部存儲(chǔ)，通信模塊等器件。

　　因?yàn)椴捎梅墙佑|的磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)，避免了傳統(tǒng)機(jī)械/磁簧開(kāi)關(guān)使用壽命和抗震動(dòng)和碰撞的問(wèn)題；將兩個(gè)全橋磁阻電路集成于一體，避免的分離模式下器件組裝的一致性問(wèn)題；采用普通的鐵氧體材料的磁鐵，使用壽命得到了保證等等，所有這些都大大提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)也降低了開(kāi)發(fā)和制造成本。

　　極低的系統(tǒng)功耗和電源管理更適合電池供電系統(tǒng)

　　不同與電表的設(shè)計(jì)，水表往往因?yàn)榄h(huán)境的限制，無(wú)法采用有源供電的方式。如何降低整機(jī)功耗，使用盡可能小的電池保證6－8年的使用壽命也一直困擾著水表的設(shè)計(jì)者。憑借著多年在低功耗產(chǎn)品設(shè)計(jì)積累的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，EPSOＮ從一開(kāi)始就關(guān)注方案整體的功耗，特別設(shè)計(jì)的專(zhuān)用處理器和選擇的低功耗傳感器，使系統(tǒng)整體工作電流在40rps轉(zhuǎn)速的情況下僅為6.5uA， 無(wú)水流時(shí)系統(tǒng)工作電流更低至2uA（包括傳感器功耗在內(nèi)），

　　在保證水表使用壽命的前提下，設(shè)計(jì)者可以采用更小更低成本的電池。

　　完整的設(shè)計(jì)支持

　　處理提供元器件方案外，EPSON還提供完整的流量檢測(cè)軟硬件參考設(shè)計(jì)。包括累計(jì)流量，瞬間流量，過(guò)大流量檢測(cè)，逆流檢測(cè)，滴漏檢測(cè)，未使用檢測(cè)，電壓檢測(cè)，脈沖輸出等基本功能，用戶簡(jiǎn)單設(shè)置幾個(gè)參數(shù)就可以完成，并可以以此為基礎(chǔ)定制出更多更復(fù)雜的計(jì)量功能。

　　該方案還可以應(yīng)用于其他流量檢測(cè)的場(chǎng)合，例如氣表、熱量表中。如果對(duì)該方案感興趣，需要更詳細(xì)的產(chǎn)品和方案信息，請(qǐng)聯(lián)系EPSON各地分公司電子元器件部門(mén)。

基于GP21+EFM32的超低功耗超聲波熱量表#e#

三、基于GP21+EFM32的超低功耗超聲波熱量表

　　隨著生活質(zhì)量的提高人們對(duì)于居住舒適度的要求，我國(guó)北方地區(qū)的樓宇建設(shè)都將普遍推廣熱量表到戶，用于冬天的暖氣供應(yīng)。自從2009年起，我國(guó)北方進(jìn)行了供熱改革，至今已卓見(jiàn)成效。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年按熱量計(jì)費(fèi)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(guān)鍵部件，它負(fù)責(zé)熱量的計(jì)算、記錄和數(shù)據(jù)傳送工作。超聲波熱量表由于其測(cè)量方式無(wú)接觸部件，且具有低壓降、低能量消耗、測(cè)量精度高的優(yōu)勢(shì)，所以它正在逐漸取代機(jī)械式的熱量表，成為北方供熱供暖計(jì)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(yùn)算能力的特點(diǎn)及GP21高精度的測(cè)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(shí)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(gè)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(shè)計(jì)

　　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(shè)計(jì)而來(lái)，對(duì)比于傳統(tǒng)的8位、16位單片機(jī)，它具有更高的運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理能力，更高的代碼密度，更低的功耗。實(shí)際數(shù)據(jù)顯示，EFM32TG840在執(zhí)行32位乘法運(yùn)算僅需4個(gè)內(nèi)核時(shí)鐘周期，32位除法運(yùn)算僅需8個(gè)內(nèi)核時(shí)鐘周期，而相應(yīng)熱表上運(yùn)用的16位單片機(jī)卻分別需要50和465個(gè)時(shí)鐘周期。而恰恰在時(shí)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(zhǎng)度，因此在運(yùn)算和熱量計(jì)算時(shí)均是32位的數(shù)據(jù)運(yùn)算?？梢?jiàn)，采用EFM32TG840可以讓超聲波熱量表有更好的運(yùn)算性能，從而使得整機(jī)可以縮短處在運(yùn)行計(jì)算狀態(tài)狀態(tài)，達(dá)到降低運(yùn)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(shí)現(xiàn)RTC運(yùn)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(hào)等等方式喚醒。

　　EFM32TG840集成了8×20段的LCD驅(qū)動(dòng)器，滿足直接驅(qū)動(dòng)超聲波熱量表液晶屏的需求，而功耗僅為550nA。EFM32TG840的LCD驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部集成電壓升壓功能和對(duì)比度調(diào)節(jié)功能，可實(shí)現(xiàn)在芯片內(nèi)部VCMP電壓比較器監(jiān)控VDD電壓，分等級(jí)開(kāi)啟LCD升壓及對(duì)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(shí)間增加出現(xiàn)電壓跌落現(xiàn)象。

　　圖2 主控MCU及顯示電路（點(diǎn)擊查看大圖）

　　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(shí)現(xiàn)交互控制動(dòng)作。

　　2、TDC-GP21超聲波采集部分

　　TDC-GP21是德國(guó)ACAM公司在2011年11月底推出的新一代專(zhuān)門(mén)針對(duì)超聲波熱量表檢測(cè)計(jì)量所用的數(shù)字時(shí)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(hào)處理模擬部分，例如模擬開(kāi)關(guān)以及低噪聲斬波穩(wěn)定（自動(dòng)進(jìn)行溫度電壓校正）模擬信號(hào)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(cè)量，測(cè)量的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)熱量表所需的要求。7x32bit的EEPROM單元，可用于存儲(chǔ)熱量表整表的ID信息及配置寄存器信息。

　　TDC-GP21需要兩個(gè)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(gè)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(shí)鐘方面TDC-GP21將輸出32.768KHz時(shí)鐘，為EFM32TG840F32提供低頻時(shí)鐘，可節(jié)省主控MCU的低頻晶振。

　　圖3 TDC-GP21電路圖（點(diǎn)擊查看大圖）

　　3、MBUS通信部分

　　超聲波熱量表通過(guò)MBUS（Meter Bus）總線通信進(jìn)行自動(dòng)抄表。現(xiàn)場(chǎng)的熱量表可通過(guò)MBUS將數(shù)據(jù)上傳到集中器，然后