基于EFM32的无磁热表的方案

　　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。

　　

 

　　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。