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案例頻道目前在工業用和民用的供水、供氣、供暖計量應用中，如電子類水表、熱量表、燃氣表等都應用大量的葉輪式流量計。由于這些流量計的工作原理相同，都是由液體和氣體的流動推動葉輪旋轉，理論上葉輪的轉動速度與流速成正比關系，通過測量葉輪的轉速來計算流量。但由于結構的制造工藝不一致和運動件旋轉摩擦等不確定因素的存在，使葉輪的轉速在某些流量范圍內與流速的關系存在誤差，將葉輪的轉速（通過測量）與實際各種不同流量之間的關系畫成曲線就是流量誤差關系曲線。為了在實際應用中更好的使流量誤差曲線平直以減少誤差，就要用可行的方法根據曲線的特性對該曲線通過電子的方法進行校正，通過此方法在某種程度上可拓寬其量程比。這就大大降低了通過改進機械結構來修正流量曲線在效果和范圍上的難度。本文針對上述問題介紹微功耗LC9723-IC芯片在葉輪式流量計中的應用。
1 芯片概述
1.1 技術狀況與技術領域
LC9723-IC芯片是以發明專利“幅度頻率變化差異比較式采樣器”（專利號20081038789.1）為基礎設計的高性能傳感器芯片。采用本芯片構成的非接觸式采樣的傳感器具有如下特點：A，采樣器頻率為超聲波段，具有良好的穿透性，功耗極低，工作電流小于7μA，適用于要求微功耗的流量計；B，受環境溫度影響小，適用溫度范圍寬，抗干擾性能優良，適合環境條件差的場合；C，具有存儲功能，自帶數字通信接口與通信協議，應用方便，誤碼率低，可以與高、中、低各種檔次的MCU、通用PC計算機實現通信，并且具有優良傳輸能力，智能化程度高。
應用LC9723-IC芯片構成微功耗流量傳感器，可以直接應用在熱量表、智能水表、燃氣表、燃料加油機、測速儀等多種智能儀表中，具有廣闊的應用前景。
1.2 應用設計框圖
1.3 基本工作原理
LC9723-IC芯片分為模擬、數字兩個部分。
模擬部分：LC9723-IC芯片是應用幅度頻率變化差異比較式采樣器工作原理以集成電路方式加以實現。振蕩器連接具有聚焦性能的線圈（片外器件），并由此線圈發射電磁波；被測物（金屬片）進入探測有效區域時，產生回波，被線圈接收，當被測物（金屬片）離開有效探測區域時，恢復初始狀態，此變化定義為系統內部特征量的變化，產生有效信號。當被測物體振動或者按軸向竄動時，幅度的變化速度比正常情況下要大得多，發生時間極短，基本上來不及引起頻率瞬間的變化，造成轉換電壓的變化，或者變化極小，或者相互抵消，對于幅度突變而引起的誤碼具有良好的抑制作用，從而降低誤碼發生的幾率。當系統受到來自外部的強靜磁或強電磁場的干擾時，采樣電磁波的幅度與頻率轉電壓值產生同向而且同步的變化，此變化定義為系統外部特征量的變化；不能滿足產生有效信號的條件，因此具有高性能的抗干擾能力。有效信號被比較器檢出，由觸發器通過驅動電路處理并輸出，同時通過刷新電路對基準進行刷新，精確的反映不同時刻的瞬時值；本芯片有時間控制、確定的閾值設計，各功能塊之間電位定義嚴格，以實現芯片的高性能指標。
采樣部分有potential_pulse_out；fixed_pulse_out ；delay_pulse_out三種信號輸出，均產生計數信號。其中potential_pulse_out電平脈沖，用以產生中斷，喚醒休眠狀態的計算機；fixed_pulse_out 正脈寬20μs， delay_pulse_out比fixed_pulse_out延遲20μs用以識別正反轉。
數字部分：LC9723-IC芯片的數字部分主要是完成計數與通信功能。
對金屬片進出探測區域內的次數進行計數，并同步存入32位計數器；MCU與本芯片通信時，MCU發送指令，先將計數器中的數據拷貝到寄存器中，再讀取寄存器中的數據。不需要通信時，數字部分進入靜態省電模式。在需要測量瞬時流速時，只要定時讀取LC9723-IC中的數據，即可容易的得到瞬時流速。
LC9723-IC芯片有供電工作方式和外供電工作方式。能實現兩種供電方式之間的無縫隙轉接，以方便通信（如智能儀表的遠程抄表）。
1.4 技術指標
工作電壓：DC 2.0～5.5V 推薦DC 2.2～5V
平均工作電流：5～7μA
上電復位時間：3ms
工作溫度范圍：–25～125℃
探測物質： 銅、鐵、鋁、不銹鋼等
探測距離：３mm < d < ７mm
采樣方式： 非接觸式無磁性采樣
采樣頻率：1～1500Hz，采樣精度1/10000
時鐘頻率：32kHz～4MHz
通信方式：異步通信，傳輸距離100m，信號模式，電平信號
抗干擾能力：滿足相關應用領域現行芯片電磁兼容標準
封裝形式：TSSOP14，TSSOP16，TSSOP20，TSSOP24體積小，方便應用。
2 應用實例
2.1 LC9723-IC芯片在熱量表上的應用
2.1.1 熱量表基本原理簡述
熱量表的工作原理是比較簡單的，概括的講就是通過流量傳感器測量出載熱流體的體積，并計算出相應的質量；由溫度傳感器，測量出載熱流體在通過散熱器的進出口的溫差；最后由積分儀計算出相應熱量。
2.1.2 目前熱量表在應用中存在的問題分析
熱量表的問題重點仍然集中在流量的采集與流量誤差曲線的校正上，目前使用的較大一部分熱量表是采用有磁流量傳感器，少部分采用無磁方案。有磁流量傳感器在熱量表的實際使用中存在著許多的缺點，如：磁鋼在熱水中的退磁，磁鋼吸附水中的鐵銹等等，業界與用戶已經很清楚了。隨著無磁流量傳感器的不斷成熟和發展，有磁流量傳感器將逐步被無磁流量傳感器所取代。但是不論哪種傳感器對基表流量曲線的校正還是相當麻煩的，在編程中上的難度也較大，其功耗與可靠性均達不到理想的效果，同時使制造難度和成本大大增加。
2.1.3 應用LC9723-IC芯片解決上述問題是目前最好方法
應用LC9723-IC芯片解決上述問題就變得非常簡單，因為LC9723-IC芯片采樣器實現無磁采樣，正確反映葉輪轉動圈數，其數字電路部分包括32位計數器、32位寄存器、控制器、通信接口，并自帶通信協議，時鐘頻率在32kHz～4MHz范圍內均可選擇。工作原理是計數器實時記錄采樣器產生的流量脈沖，需要讀取傳感器數據時，只需上位單片機給傳感器芯片送入外接CLOCK，并發出指令即COPY和READ命令，此時傳感器芯片在幾毫秒或幾十微秒內把數據傳給單片機，單片機停掉此CLOCK，傳感器芯片數字部分進入靜態模式，功耗僅幾個納安，由單片機處理取回的數據。
單片機向傳感器芯片發出COPY指令時，是將計數器內的數據復制到寄存器中，在納秒級的時間內完成，并有觸發沿時間保護，此過程不影響計數器的正常計數；在發出READ命令時單片機將寄存器中的數據取回，并送入響應的通訊接口，此操作不影響計數器的正常工作，與單片機通訊時不影響傳感器正常采樣與計數。
應用LC9723-IC傳感器，單片機只要定時與傳感器通訊讀取數據，即可得到流量計的瞬時流量，同時根據基表各流量點的當量（或叫流量系數），就可以修正成準確值。把每次瞬時流量累計即可得到累計流量，因此在熱量表上均可以實現流量曲線的校正功能。如下圖：
典型的流量-誤差曲線
電子修正后的流量-誤差曲線
2.1.4 對熱量表的升級
原溫度測量方法不變，僅將流量測量改為LC9723-IC芯片工作模式。
2.2 LC9723-IC芯片在其他儀表上的應用簡介
2.2.1 LC9723-IC芯片在電子水表上的應用。電子水表其種類比較多，主要有各類卡式表、電子計量式水表、GPRS電子式遠傳水表。目前的采樣方式多為干簧管式，以及少量的霍爾元件的，都不能滿足流量誤差校正的需要。因此，應用LC9723-IC芯片即可非常容易的解決這一問題。其方法與熱量表流量測量方法完全相同。其他功能增加了閥門的控制，通信部件不變。
2.2.2 LC9723-IC芯片在燃氣表上的應用。與電子水表上的應用極其類似，唯一不同的是，流量曲線不同。其防爆問題上，LC9723-IC芯片是不接觸煤氣氣體的，由于LC9723-IC芯片制面部件，本身就是微功耗、低電壓的，完全密封后與單片機放在個防爆殼體里面的，應用非常簡便，且具有高可靠性。
2.2.3 LC9723-IC芯片在轉速表上的應用。對于LC9723-IC芯片在轉速表上的應用是最簡單的，只需定時通信，讀取測量數據。
總之，應用 LC9723-IC芯片在各類流量計上除實現其微功耗及其它一系列的優點和好處外，更重要的是，可大幅提高計量精度，并在一定程度上拓寬量程比。
3 編程要點
LC9723-IC數字部分由控制器模塊、指令接收模塊、數據發送模塊和計數器模塊組成，可實時對由LC9723-IC模擬部分產生的脈沖信號（上升沿）進行計數，并通過3個引腳以串行方式與MCU通訊，實現讀取計數器結果、計數器清零及誤碼重讀功能。電路通過模擬部分提供的復位信號實現上電復位功能，LC9723-IC內置32位計數器和寄存器。
輸入信號pulse由LC9723-IC模擬部分提供，與計數器模塊連接，計數器在pulse信號上升沿進行計數。
輸入信號rst_n由LC9723-IC 模擬部分提供，對全部模塊進行復位，低電平有效。
輸入信號clk由外部MCU提供，與控制器模塊、指令接收模塊和數據發送模塊連接，為電路提供時鐘信號，上升沿觸發。
輸入信號data_in由外部MCU提供，與指令接收模塊連接，對電路工作狀態進行控制，串行接受指令。
輸出信號data_in由數據發送模塊提供，與外部MCU輸入端口連接，串行發送數據。
3.1.1 指令接收及發送數據時序
Tinit：電路初始時間，5個時鐘周期，該時間段及無時鐘階段電路均不接收指令。若前一次通訊為異常退出，則LC9723-IC的Tinit為45個周期。
Twait：輸出響應時間，5個時鐘周期，即電路將在收到正確指令5個時鐘周期后從輸出端data_out發送數據。
Twork：收到正確指令后電路工作時間，該時間段內電路不再接收其他指令。LC9723-IC Twork為40個時鐘周期。
Tstop：電路完成工作至關閉時鐘的時間，5個時鐘周期，以確保電路已完成全部操作。
空閑時間段，MCU應發送高電平1（即data_in=1，clk=0）以保證LC9723-IC 處于等待模式，同時LC9723-IC輸出端data_out將維持高電平1。
3.1.2 異常指令處理
LC9723-IC對錯誤指令不做任何響應（包括指令錯誤，偶校驗錯誤，結束位錯誤）。
3.1.3 指令/數據傳輸時序
LC9723-IC設計使用時鐘信號上升沿收發數據，因此為保證數據收發穩定可靠，MCU應盡量使用時鐘下降沿進行數據收發。
3.2 指令和數據
LC9723-IC共包含兩條指令COPY和READ，通過data_in串行接收，通過data_out串行發送。
3.2.1指令構成
指令共6位，其中包括1位起始位，3位指令位，1位偶校驗位和1位結束位。
3.2.2 數據構成
LC9723-IC輸出數據共35位，其中包括1位起始位，32位數據位，1位偶校驗位和1位結束位。
3.2.3 COPY指令
收到COPY指令后，電路將計數器counter中的數據拷貝到寄存器counter_reg中，并將計數器counter清零，同時data_out發送全零數據。
基于當前指令集，MCU可實現實時計數結果讀取操作，并且可以對數據/指令傳輸異常進行有效處理。
3.3.1 操作步驟
3.3.1.1 實時計數結果讀取
當MCU需要讀取當前計數結果時，先向LC9723-IC發送一個COPY指令，待收到正確回應后再發送一個READ指令，即可完成實時計數結果讀取操作。
3.3.1.2 READ指令異常處理
當MCU發出READ指令后收到的數據異常（未能按時收到數據、偶校驗錯誤、結束位錯誤）時，可向LC9723-IC再次發送一個READ指令，以實現計數結果重讀操作。
3.3.1.3 COPY指令異常處理
當MCU發出COPY指令后收到的數據異常（收到數據非32’h0、未能按時收到數據、偶校驗錯誤、結束位錯誤），應向LC9723-IC發送READ指令，讀取寄存器數據，通過將本次讀取的數據與前次讀取數據進行比較判斷LC9723-IC是否已經完成COPY操作，如果未完成操作，則需重新發送COPY指令。
切勿連續發送COPY指令，從而導致LC9723-IC連續對計數器清零，使得計數結果丟失。
Copy指令執行時MCU不要產生中斷，應保持時鐘正常發送，待到Copy指令正常執行完畢后再進行中斷。
3.3.2 操作實例
3.3.2.1 初始化
向data_in發送高電平1并保持，再為電路提供時鐘信號clk，5個時鐘周期后即可發送指令，此時電路進入等待狀態，data_out輸出1。
寄存器counter_reg復位后初始狀態為全零（16’h0 / 32’h0）。
3.3.2.2 發送指令
當電路處于等待狀態時，通過data_in向電路發送完整的指令信號，包括起始位、指令位、偶校驗位及結束位。
當電路接收到正確指令后進入工作狀態。
當電路接收到錯誤指令（包括指令錯誤，偶校驗錯誤，結束位錯誤）后，繼續處于等待狀態，data_out保持1。
為保證電路正常接收指令，應盡量在時鐘信號下降沿附近進行指令發送。
3.3.2.3 接收數據
電路進入工作狀態5個時鐘周期（Twait）內data_out保持1，5個時鐘周期后會進行數據發送，LC9723-IC將發送35位數據。
數據發送完成后電路進入等待狀態，data_out輸出1。
3.3.2.4 關閉電路
數據發送完成5個時鐘周期后，可停止發送時鐘信號（保持0），此時電路不接收任何指令，data_out保持1。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號