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    《電子技術應用》
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    基于EFM32的智能型低功耗熱量表設計
    來源:微型機與應用2013年第4期
    李忠虎, 王 洋
    (內蒙古科技大學 信息工程學院,內蒙古 包頭014010)
    摘要: 以單片機為核心,設計了一種智能型低功耗熱量表。介紹了熱量表的流量和溫度測量原理與方法,利用軟件編程提高了流量和溫度測量精度。選用EFM32TG840F32內置低功耗傳感器接口LESENSE和LC傳感器進行無磁流量測量,避免了由磁場引起的干擾;設計了一種恒流源測溫方法,提高了測溫精度,從而提高了熱量表整機的精度。該熱量表支持紅外抄表和M-Bus傳輸方式,可方便地進行實時監測和數據采集,總體達到了降低功耗、節省能源的目的。
    Abstract:
    Key words :

    摘  要: 以單片機為核心,設計了一種智能型低功耗熱量表。介紹了熱量表的流量和溫度測量原理與方法,利用軟件編程提高了流量和溫度測量精度。選用EFM32TG840F32內置低功耗傳感器接口LESENSE和LC傳感器進行無磁流量測量,避免了由磁場引起的干擾;設計了一種恒流源測溫方法,提高了測溫精度,從而提高了熱量表整機的精度。該熱量表支持紅外抄表和M-Bus傳輸方式,可方便地進行實時監測和數據采集,總體達到了降低功耗、節省能源的目的。
    關鍵詞: 熱量表;EFM32單片機;低功耗;溫度測量;流量測量

        熱量表是供熱體系中按熱量計量收費的關鍵儀表和重要依據,其測量精度和工作穩定性等技術指標至關重要。我國北方地區于2003年開始進行供熱體制改革,2006年開始推行熱量表,2010年2月國家頒布《關于進一步推進供熱計量改革意見》,要求按計劃逐步實現按熱量計價收費[1]?;诖?,研制開發低成本且符合國家有關標準的熱量表是大勢所趨。本文主要針對現有熱量表,重點在低功耗和智能化兩方面進行設計與改進,現處于試驗研究階段。
    1 熱量表結構及原理
        熱量表結構如圖1所示。將一對溫度傳感器分別安裝在通過載熱流體的進水管和回水管上,流量計安裝在進水管或回水管上,溫度傳感器給出表示溫差的模擬信號,流量計發出與流量成正比的脈沖信號,熱量積算儀采集來自3路傳感器的信號,利用傳熱公式計算出熱用戶獲得的熱量[2]。

        熱量表一般采用焓差法計算熱量,焓差法的傳熱公式為:
       
    2 熱量表硬件系統設計
    2.1 溫度信號檢測

        兩只溫度傳感器用來測量進水和回水的溫度。作為熱能表的溫度傳感器,目前常用的有鉑電阻和熱敏電阻兩種。與熱敏電阻相比較,鉑電阻具有測量精度高和阻值漂移小等優點,因此本設計采用成對的PT1000鉑電阻作溫度傳感器。該傳感器在0~850℃范圍內的電阻值與溫度之間的關系可近似表示:                        

    2.2 流量信號檢測
    2.2.1 流量測量原理

        本設計采用無磁智能流量傳感技術,即流量傳感器中不含任何磁性元器件,流量計中只有葉輪部分,而沒有齒輪組,完全消除了鐵銹水對表的影響,而且不受任何外界磁場的干擾。葉輪上有一個特殊的半金屬片,在轉盤的上面成90°角放置兩個電感線圈,通過一種LC振蕩阻尼電路,以非接觸的方式探測到葉輪上的無磁金屬片的轉動情況,然后直接向積算器輸出而省去了齒輪組部分。這樣既減少了表體內容易損壞的機械傳動部分,同時大大降低了功耗,通過這兩個諧振電路就可以測量轉盤的轉向和轉速。測量原理如圖3所示。

        EFM32TG840F32的LESENSE模塊給傳感器提供激勵信號。電感L就會產生阻尼振蕩,阻尼系數取決于電感線圈和轉盤的相對位置。當傳感器在經過有金屬的位置時,LC阻尼振蕩的振幅衰減速度快,如圖4(a)所示;相反,在經過非金屬部分時,LC阻尼振蕩振幅衰減的速度就慢,如圖4(b)所示。MCU 檢測信號衰減,就可以判斷電感的狀態,從而測量出流速和旋轉方向。
    2.2.2 流量檢測模塊
        LESENSE是一個片上外設有控制能力的模塊,用于在很少或沒有CPU干預的情況下監測不同的傳感器。LESENSE采用模擬比較器、ACMP來測量傳感器的信號。LESENSE也能控制DAC產生精確的參考電壓。
        一個整體的LESENSE由序列發生器、計數器、比較模塊、解碼器、RAM模塊(用于配置和存儲結果)組成。序列發生器處理其他外設間的相互作用以及傳感器測量時間。在與一個閾值比較之前,計數器和比較模塊用來測量來自ACMP輸出的脈沖。為了自主分析傳感器的結果,LESENSE的解碼器定義了多達16個狀態的有限狀態機,并且在狀態轉換上進行可編程的行為。這使得解碼器實施了廣泛的解碼方案,比如正交解碼。RAM模塊用于配置和儲存測試結果。這就使得LESENSE在收集傳感器數據時有一個相當大的結果緩沖區使能芯片長時間保持在一個低能量模式。值得注意的是,在檢測傳感器信號時,LFACLK_LESENSE不應超過50 kHz。
    2.2.3 信號處理
        隨著葉輪轉動,兩個傳感器信號不斷變化。假設兩個傳感器分別連接LESENSE的CH_6和CH_12,如圖5所示,得出傳感器變化規律。脈沖計數器被用來計算轉速并探測旋轉方向的變化,利用軟件設定每個狀態對應的流量變化為1個單位,可實現流量轉換。

    2.3 積算儀硬件電路
        積算儀是熱量表的核心部分,主要完成數據采集、處理、存儲、顯示、遠程通信及電池電壓監控(電池電壓不足時發出警報)等功能。智能化熱量表積算儀以EFM32TG840單片機為核心,其系統框圖如圖6所示。
        超低功耗單片機EFM32TG840作為無磁熱量表的微處理器,基表經水流沖擊使得葉輪轉動,EFM32主要依靠檢測LESENSE外接的LC振蕩電路的阻尼振蕩波形變化來判斷外部電感量的變化,從而得到旋轉葉輪的轉動情況,無需外擴其他傳感器芯片。同時,EFM32片上帶有12 bit ADC,無需外擴ADC芯片即可與PT1000鉑電阻結合來實現高精度溫度檢測功能。其片上集成的LCD控制器可實現熱表液晶顯示屏的驅動,用于人機交互界面。模擬EEPROM則是負責單片機掉電后的重要數據恢復功能。此外,EFM32片內帶有RTC功能模塊,可用于時間記錄。熱表的通信接口可通過EFM32的兩路UART擴展為紅外通信接口及M-Bus/RS-485總線通信接口。EFM32的工作電壓范圍為1.8 V~3.8 V,因此能夠在3.6 V鋰電池直接供電的情況下工作,并且能夠兼容鋰電池的浮動電壓范圍,使得系統的可靠性和穩定性大大提高。
    2.4 系統的低功耗優勢
        在硬件和軟件設計方面降低系統功耗是本系統研究的一個重點。EFM32具有5種功耗模式,在RTC及低功耗模塊運行的EM3模式下,EFM32的功耗僅900 nA。EFM32的LESENSE、LEUART以及LETIMER模塊均為針對低功耗設計。LESENSE能夠在低功耗模式EM2下對流量進行檢測,無需CPU干預,待檢測完成后喚醒CPU進行數據的處理及運算。LEUART在9 600的波特率下僅為150 nA,且支持LEUART接口通信喚醒,適合于熱表通信總線中的低功耗應用。熱表系統中的溫度檢測ADC模塊在12 bit、1 MS/s的速率下功耗低至350 μA。驅動液晶屏顯示的LCD Controller能夠在低功耗模式下保持顯示8×36段的驅動功耗也只需0.55 μA??梢?,EFM32的低功耗外設功能模塊非常適合于熱表方案的設計應用。
    3 熱量表軟件系統設計
     熱量表終端程序主要包括主程序、中斷服務子程序和功能子程序。系統在上電初始化后進入低功耗模式,并且由外部中斷或者定時器喚醒,這樣才能降低系統的功耗。軟件系統流程圖如圖7所示。

     

     

        單片機需要處理的事件有溫度和流量測量、熱量計算、按鍵處理、LCD液晶顯示、數據存儲、電壓監控、紅外通信以及M-Bus遠傳等。由上圖可知,系統上電初始化后進入低功耗模式,其他要處理或者實現的任務都要通過中斷喚醒,包括按鍵中斷、定時中斷、通信中斷等,整個程序按照輪詢的方式進行,自頂向下執行完后單片機又進入低功耗模式狀態。按鍵采用狀態機建模方式,可以有效地避免中斷嵌套引起的沖突,并配合顯示子程序進行數據的實時顯示。為了防止單片機在長時間無人監守的情況下運行異常,使用單片機內部的看門狗模塊來監測程序的運行。
        利用EFM32單片機設計的熱量表具有體積小、功耗低、精度高的特點,能支持紅外通信方式和M-Bus遠傳方式。同時軟件設計了動態流量補償方法,使得誤差減小,進一步提高了測量精度,因此具有更好的經濟性和實用價值。
    參考文獻
    [1] 崔紅琴.中國熱量表行業發展進程概述[J].現代供熱, 2012(181):1-16.
    [2] 劉全勝,李宏敏.熱能計量儀表及應用[J].煤氣與熱力,2000,20(2):134-135.
    [3] (日)松井邦彥,著.傳感器應用技巧141例[M].梁瑞林,譯. 北京:科學出版社,2005.
    [4] (美)BAKER B,著.嵌入式系統中的模擬設計[M].李喻奎,譯.北京:北京航天大學出版社,2006.

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