基于GP21+EFM32的超低功耗超聲波熱量表電路模塊設(shè)計

　　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高精度的測量能力，它將成為超聲波熱量表方案中的最優(yōu)之選。

　　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(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個內(nèi)核時鐘周期，32 位除法運(yùn)算僅需8個內(nèi)核時鐘周期，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(yùn)算和熱量計算時均是32位的數(shù)據(jù)運(yùn)算。可見，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(shí)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。

　　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(shí)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。

　　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(fèi)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。

　　圖4 TSS721A連接電路

　　紅外通信電路模塊

　　根據(jù)《CJ/T 188-2004》技術(shù)規(guī)范文檔，超聲波熱量表紅外通信采用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。紅外通信電路如圖5所示。