測試測量設計實例（一）

　　決定水表計量精度主要有兩個主要因素：

　　１．傳感器準確感應基表葉輪轉過的圈數

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　　由于采用磁阻檢測計量，減少了傳統電子水表必需的多個計數齒輪，簡化了機械運動部件的設計，減小了葉輪的負載，對小流速水流提高了檢測靈敏度，提升了水表始動流量檢測的性能；A，B輸出連續的波形，根據相位差最小可以檢測到葉輪1/8周的轉動，并依據特定相位差的時間序列可以用于水流方向的檢測和計量，對于葉輪抖動或其它因素造成的異常時間序列可以予以篩除，提高了圈數統計的準確性，特別是小水流情況下的測量精準度。

　　一般來說，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），該方案由于可以測量水表當前的流速，可以通過對不同流速的誤差進行軟件修正和補償，由于涉水部分機械運動部件簡單，測量的重復性好，配合計量標定過程，在機械結構基本不變的前提下，大大提高了水表水量檢測的準確度等級。

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

　　系統簡單，高度集成，外圍器件少，可靠性提高

　　除了傳統的機械部分外，系統主要的元器件為專用處理芯片S1C17M01和AMR傳感器芯片。專為流量檢測設計的S1C17M01 內部集成AMR控制器，包括模擬前端（AFE），帶磁滯功能的比較器，相位/圈數計數器等功能電路，可以直接連接AMR傳感器毫伏級輸出，減少了以往多個外圍分離器件；豐富的周邊電路包括128段液晶驅動器，定時器、實時時鐘、低電壓檢測，R/F轉換器，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，通信模塊等器件。

　　因為采用非接觸的磁場檢測技術，避免了傳統機械/磁簧開關使用壽命和抗震動和碰撞的問題；將兩個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設計的可靠性和穩定性，同時也降低了開發和制造成本。

　　極低的系統功耗和電源管理更適合電池供電系統

　　不同與電表的設計，水表往往因為環境的限制，無法采用有源供電的方式。如何降低整機功耗，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計者。憑借著多年在低功耗產品設計積累的技術和經驗，EPSOＮ從一開始就關注方案整體的功耗，特別設計的專用處理器和選擇的低功耗傳感器，使系統整體工作電流在40rps轉速的情況下僅為6.5uA， 無水流時系統工作電流更低至2uA（包括傳感器功耗在內），

　　在保證水表使用壽命的前提下，設計者可以采用更小更低成本的電池。

　　完整的設計支持

　　處理提供元器件方案外，EPSON還提供完整的流量檢測軟硬件參考設計。包括累計流量，瞬間流量，過大流量檢測，逆流檢測，滴漏檢測，未使用檢測，電壓檢測，脈沖輸出等基本功能，用戶簡單設置幾個參數就可以完成，并可以以此為基礎定制出更多更復雜的計量功能。

　　該方案還可以應用于其他流量檢測的場合，例如氣表、熱量表中。如果對該方案感興趣，需要更詳細的產品和方案信息，請聯系EPSON各地分公司電子元器件部門。

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

　　隨著生活質量的提高人們對于居住舒適度的要求，我國北方地區的樓宇建設都將普遍推廣熱量表到戶，用于冬天的暖氣供應。自從2009年起，我國北方進行了供熱改革，至今已卓見成效。預計未來幾年按熱量計費將是北方供暖改革的重要方向。而熱量表更是供熱系統中的關鍵部件，它負責熱量的計算、記錄和數據傳送工作。超聲波熱量表由于其測量方式無接觸部件，且具有低壓降、低能量消耗、測量精度高的優勢，所以它正在逐漸取代機械式的熱量表，成為北方供熱供暖計量方案的首選。

　　基于Energymicro公司的32位Cortex-M3內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，能夠充分發揮EFM32的超低功耗與高運算能力的特點及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之選。

　　系統框架

　　圖 1所示，超聲波熱量表包括超低功耗微控制器EFM32TG840F32、時間數字轉換器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。整個系統由3.6V鋰電池供電，考慮到TDC-GP21的供電電壓將電壓轉換為3.3V。

　　圖 1 超聲波熱量表方案框圖

　　硬件設計

　　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內核設計而來，對比于傳統的8位、16位單片機，它具有更高的運算和數據處理能力，更高的代碼密度，更低的功耗。實際數據顯示，EFM32TG840在執行32位乘法運算僅需4個內核時鐘周期，32位除法運算僅需8個內核時鐘周期，而相應熱表上運用的16位單片機卻分別需要50和465個時鐘周期。而恰恰在時間數據轉換芯片TDC-GP21上采集得到的數據均是32位長度，因此在運算和熱量計算時均是32位的數據運算。可見，采用EFM32TG840可以讓超聲波熱量表有更好的運算性能，從而使得整機可以縮短處在運行計算狀態狀態，達到降低運行功耗的效果。

　　EFM32TG840具有EM0-EM4共5種低功耗模式。在EM2的低功耗模式下，微控制器仍可實現RTC運行，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，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驅動器，滿足直接驅動超聲波熱量表液晶屏的需求，而功耗僅為550nA。EFM32TG840的LCD驅動器內部集成電壓升壓功能和對比度調節功能，可實現在芯片內部VCMP電壓比較器監控VDD電壓，分等級開啟LCD升壓及對比度調節，達到LCD的現象效果良好，即使系統電池隨著使用時間增加出現電壓跌落現象。

　　圖2 主控MCU及顯示電路（點擊查看大圖）

　　EFM32TG840的I/O可以設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現交互控制動作。

　　2、TDC-GP21超聲波采集部分

　　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字時間轉換器。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，例如模擬開關以及低噪聲斬波穩定（自動進行溫度電壓校正）模擬信號比較器。TDC-GP21溫度部分集成了施密特觸發器，可直接接上溫度傳感器和參考電阻，就可以進行高精度的測量，測量的性能遠遠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行供電，并增加去耦雙通道濾波電路以達到降低系統噪聲的效果。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，可節省主控MCU的低頻晶振。

　　圖3 TDC-GP21電路圖（點擊查看大圖）

　　3、MBUS通信部分

　　超聲波熱量表通過MBUS（Meter Bus）總線通信進行自動抄表。現場的熱量表可通過MBUS將數據上傳到集中器，然后