基于GP21+EFM32 的超低功耗超聲波熱量表設(shè)計(jì)

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，至今已卓見成效。預(yù)計(jì)未來幾年按熱量計(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，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。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(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)超聲波液晶屏的段式液晶屏，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

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門針對(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

3、MBUS 通信部分

超聲波熱量表通過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MBUS 將數(shù)據(jù)上傳到集中器，然后由集中器或再上一級(jí)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_(tái)，進(jìn)行計(jì)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(shí)該收發(fā)器可由總線供電，對(duì)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

4、紅外通信部分

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(duì)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(zhǎng)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(duì)超聲波熱量表進(jìn)行抄表。紅外通信電路如圖5 所示。

圖5 紅外通信電路

軟件設(shè)計(jì)

超聲波熱量表方案的軟件部分可以劃分為3 個(gè)部分：TDC-GP21 的檢測(cè)計(jì)量部分、紅外及MBUS 的抄表通信部分、按鍵液晶屏的顯示交互部分。

針對(duì)TDC-GP21 的檢測(cè)計(jì)量軟件部分可參考ACAM 官方提供技術(shù)文檔，它提供了TDC-GP21 在單次采集的軟件配置及實(shí)現(xiàn)過程。熱量表通過計(jì)算超聲波上游和下游的時(shí)間差，進(jìn)而通過公式計(jì)算得到流量，然后通過對(duì)PT1000 的測(cè)量和計(jì)算可以采集得到進(jìn)水口熱水與出水口冷水的溫度差。最終通過熱量熵積分Q=cmΔt，計(jì)算得到熱量的值。而在實(shí)際采集當(dāng)中，為了更精確的熱量計(jì)算值，軟件設(shè)計(jì)者可對(duì)非線性參數(shù)增加相應(yīng)的補(bǔ)償處理。

對(duì)于熱量表的通信抄表部分的軟件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)者在實(shí)現(xiàn)的紅外與MBUS 的底層串行通信后，可參考《CJ 188-2004 戶用計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件》上所要求的抄表命令、抄表通信數(shù)據(jù)幀格式、抄表應(yīng)答數(shù)據(jù)要求進(jìn)行相應(yīng)的軟件編寫。

熱量表的人機(jī)交互軟件部分主要是根據(jù)用戶的按鍵操作實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的查詢數(shù)據(jù)的顯示。對(duì)于EFM32TG840 的液晶屏控制器底層驅(qū)動(dòng)，軟件設(shè)計(jì)者控制起來非常方便，在執(zhí)行完LCD控制器的初始化后，向?qū)?yīng)的SEG 段寄存器操作對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位，即可將液晶屏上對(duì)應(yīng)的段碼點(diǎn)亮顯示。綜合段碼顯示內(nèi)容及用戶操作即可實(shí)現(xiàn)交互部分的軟件設(shè)計(jì)。

方案優(yōu)勢(shì)

基于EFM32TG840 與TDC-GP21 實(shí)現(xiàn)的超聲波熱量表方案具有的優(yōu)勢(shì)包括：

1、相對(duì)于傳統(tǒng)的8 位、16 位單片機(jī)，EFM32TG840 以Cortex-M3 為內(nèi)核，具有更強(qiáng)運(yùn)算處理能力，使整表的性能得到提升；

2、EFM32TG840 與TDC-GP21 均具有低功耗的優(yōu)勢(shì)，綜合使得整機(jī)的功耗更低，增長(zhǎng)熱量表的電池壽命，間接降低了整表對(duì)于電池的需求成本；

3、EFM32TG840 集成了LCD 控制器、RTC，以及它的Flash 可用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，使得整體方案的外圍元件減少，降低方案成本。

總結(jié)

綜述上文，以EFM32TG840 為主控MCU，TDC-GP21 為關(guān)鍵檢測(cè)元器件而設(shè)計(jì)的超聲波熱量表，充分地發(fā)揮了EFM32TG840 的高性能、低功耗、良好集成度的特點(diǎn)，結(jié)合了數(shù)字時(shí)間轉(zhuǎn)換器TDC-GP21 的高精度、低功耗的優(yōu)勢(shì)，使得它將成為供暖系統(tǒng)熱計(jì)量部分的最佳選擇。