EFM32应用方案——电磁流量计 电磁流量计, 单片机

Bazinga

概述
电磁流量计是一种测量导电介质体积流量的计量仪表，具有测量精度高、稳定性好、可靠性高等特点。电磁流量计除可测量一般导电液体的流量外，还可测量液固两相液体、高粘度液体及盐类、强酸、强碱液体的体积流量，可广泛应用于水泥、化工、轻纺、冶金、矿山、造纸、医药、给排水、食品饮料、环保等工业技术部门，其产品的性能、质量和可靠性对上述企业的经济效益有着重要的影响。

传统电磁流量计一般采用8位或16位的单片机，单片机处理性能较弱和外围接口少，同时不合适做低功耗设计；针对用电池供电的电磁流量计，系统需使用低功耗、高处理性的32 位处理器，为此以下将详细阐述基于EFM32的电池供电的电磁流量计方案。

电磁检测原理

电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。在电磁流量计中，测量管内的导电介质相当于法拉第试验中的导电金属杆，上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场。当有导电介质流过时，则会产生感应电压，工作原理如图1所示。管道内部的两个电极测量产生的感应电压。测量管道通过不导电的内衬（橡胶，特氟隆等）实现与流体和测量电极的电磁隔离。


图1 电磁流量计原理图


B－磁通密度；D－测量管内径；V－流量信号（电动势）；U－液体平均轴向流速；则
根据法拉第电磁感应定律，感应电压强度可用下面的简式表达： V=kBLeU。

在圆形管道中，体积流量是：





由上式可见，体积流量qv与感应电动势v和测量管内径D成线性关系，与磁场的磁感应强度B成反比，与其它物理参数无关。这就是电磁流量计测量导电液体体积流量的原理。

系统框架

基于EFM32的电磁流量计主要包括微控制器、流量传感器、系统电源、信号调理电路，共4个部分，系统框图如图2所示。


图2 电磁流量计系统框架


微控制器

电磁流量计的主控MCU可以选取带LCD驱动能力的EFM32TG840F32或EFM32G840F128，由于EFM32的产品各系列之间对应型号引脚直接兼容，用户可根据实际项目功能需求进行功能裁剪或升级。主控MCU通过DA输出励磁信号驱动流量传感器的励磁线圈产生磁场，并负责采集与处理流量传感器输出的感应电动势，同时可控制按键、显示等人机界面；励磁信号可采用三值低频方波励磁形式，如图3所示；


图 3 励磁信号波形
流量传感器

电磁流量计的主要特点：传感器结构简单，没有机械转动测量部件；在测量过程中，不受被测介质温度、粘度、密度以及电导率（在一定范围内）的影响；量程范围极宽，并只与被测介质的平均流速成正比，而与轴对称分布下的流动状态（层流、湍流）无关，而且反应灵敏，线性好。

系统电源

电磁流量计为电池供电，EFM32的工作电压为1.85~3.8V，工作电压范围比较宽，在一些3.6V的电池供电系统中无需前端添加LDO芯片。

方案优势

相对于传统的8位、16位单片机实现的电磁流量计，基于EFM32实现的本方案具有以下优势：

超低功耗

EFM32是全球最低功耗的32位微控制器，RTC、DMA可运行的EM2模式下，功耗电流仅为900nA，不运行RTC的模式下可低至600nA，而在不保存RAM数据时更是只有20nA。同时，片上更是集成了低功耗外设：低功耗UART及I2C可运行于EM2模式下，可在CPU睡眠模式下实现数据的收发及数据识别唤醒。由于电磁流量计为电池供电，对功耗有一定的要求，在对功耗要求比较高的场合甚至可由EFM32控制各模块的供电，最大限度的提高其待机时间，因此EFM32的低功耗具有明显的优势。

降低成本

EFM32采用ARM公司的Cortex-M3内核设计，其运算性能优异，支持硬件乘法器及除法器，支持ARM和Thumb2指令集，使程序代码密度高，执行效率快。片上集成有AD、DA信号采集与输出模块。在显示上，EFM32集成了最高达8*36段LCD驱动，LG和GG系列可支持320*240的16位TFT的RGB驱动，在带显示产品上可节省显示驱动IC。

后续EFR产品

Energy Micro后续会推出RF与MCU的SOC产品，在连续接收模式下只有4mA，在400MHz 0dBm的发送功率下5mA，10dBm时为14mA，最大输出功率为17dBm。最大接收灵敏度为-121dBm 。传输速度可高达4Mbit/s。它对于实现无线抄表和数据远传功能的电磁流量计非常适合。

总结

EFM32具有优异的低功耗特性，非常适合于对于用电池供电的电磁流量计应用。EFM32内核采用目前流行的Cortex-M3设计，极大地缩短了开发者的开发时间。EFM32具有丰富的外设，为系统扩展功能及降低成本提供了条件。因此，EFM32非常的适合于电磁流量计的应用。