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    摘要： 

    目前在工業(yè)用和民用的供水、供氣、供暖計(jì)量應(yīng)用中，如電子類水表、熱量表、燃?xì)獗淼榷紤?yīng)用大量的葉輪式流量計(jì)。由于這些流量計(jì)的工作原理相同，都是由液體和氣體的流動推動葉輪旋轉(zhuǎn)，理論上葉輪的轉(zhuǎn)動速度與流速成正比關(guān)系，通過測量葉輪的轉(zhuǎn)速來計(jì)算流量。但由于結(jié)構(gòu)的制造工藝不一致和運(yùn)動件旋轉(zhuǎn)摩擦等不確定因素的存在，使葉輪的轉(zhuǎn)速在某些流量范圍內(nèi)與流速的關(guān)系存在誤差，將葉輪的轉(zhuǎn)速（通過測量）與實(shí)際各種不同流量之間的關(guān)系畫成曲線就是流量誤差關(guān)系曲線。為了在實(shí)際應(yīng)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(jù)曲線的特性對該曲線通過電子的方法進(jìn)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(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jì)中的應(yīng)用。

 

　　1 芯片概述

　　1.1 技術(shù)狀況與技術(shù)領(lǐng)域 

    LC9723-IC芯片是以發(fā)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(chǔ)設(shè)計(jì)的高性能傳感器芯片。采用本芯片構(gòu)成的非接觸式采樣的傳感器具有如下特點(diǎn)：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(jì)；B，受環(huán)境溫度影響小，適用溫度范圍寬，抗干擾性能優(yōu)良，適合環(huán)境條件差的場合；C，具有存儲功能，自帶數(shù)字通信接口與通信協(xié)議，應(yīng)用方便，誤碼率低，可以與高、中、低各種檔次的MCU、通用PC計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，并且具有優(yōu)良傳輸能力，智能化程度高。

    應(yīng)用LC9723-IC芯片構(gòu)成微功耗流量傳感器，可以直接應(yīng)用在熱量表、智能水表、燃?xì)獗怼⑷剂霞佑蜋C(jī)、測速儀等多種智能儀表中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　1.2 應(yīng)用設(shè)計(jì)框圖

 
　　1.3 基本工作原理 

    LC9723-IC芯片分為模擬、數(shù)字兩個部分。 

    模擬部分：LC9723-IC芯片是應(yīng)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(shí)現(xiàn)。振蕩器連接具有聚焦性能的線圈（片外器件），并由此線圈發(fā)射電磁波；被測物（金屬片）進(jìn)入探測有效區(qū)域時，產(chǎn)生回波，被線圈接收，當(dāng)被測物（金屬片）離開有效探測區(qū)域時，恢復(fù)初始狀態(tài)，此變化定義為系統(tǒng)內(nèi)部特征量的變化，產(chǎn)生有效信號。當(dāng)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(fā)生時間極短，基本上來不及引起頻率瞬間的變化，造成轉(zhuǎn)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(fā)生的幾率。當(dāng)系統(tǒng)受到來自外部的強(qiáng)靜磁或強(qiáng)電磁場的干擾時，采樣電磁波的幅度與頻率轉(zhuǎn)電壓值產(chǎn)生同向而且同步的變化，此變化定義為系統(tǒng)外部特征量的變化；不能滿足產(chǎn)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(fā)器通過驅(qū)動電路處理并輸出，同時通過刷新電路對基準(zhǔn)進(jìn)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(shè)計(jì)，各功能塊之間電位定義嚴(yán)格，以實(shí)現(xiàn)芯片的高性能指標(biāo)。 

    采樣部分有potential_pulse_out；fixed_pulse_out ；delay_pulse_out三種信號輸出，均產(chǎn)生計(jì)數(shù)信號。其中potential_pulse_out電平脈沖，用以產(chǎn)生中斷，喚醒休眠狀態(tài)的計(jì)算機(jī)；fixed_pulse_out 正脈寬20μs， delay_pulse_out比fixed_pulse_out延遲20μs用以識別正反轉(zhuǎn)。 

    數(shù)字部分：LC9723-IC芯片的數(shù)字部分主要是完成計(jì)數(shù)與通信功能。 

    對金屬片進(jìn)出探測區(qū)域內(nèi)的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并同步存入32位計(jì)數(shù)器；MCU與本芯片通信時，MCU發(fā)送指令，先將計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)拷貝到寄存器中，再讀取寄存器中的數(shù)據(jù)。不需要通信時，數(shù)字部分進(jìn)入靜態(tài)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(shù)據(jù)，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(shí)現(xiàn)兩種供電方式之間的無縫隙轉(zhuǎn)接，以方便通信（如智能儀表的遠(yuǎn)程抄表）。

　　1.4 技術(shù)指標(biāo) 

    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(fù)位時間：3ms 

    工作溫度范圍：–25～125℃ 

    探測物質(zhì)： 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(guān)應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)行芯片電磁兼容標(biāo)準(zhǔn) 

    封裝形式：TSSOP14，TSSOP16，TSSOP20，TSSOP24體積小，方便應(yīng)用。

　　2 應(yīng)用實(shí)例

　　2.1 LC9723-IC芯片在熱量表上的應(yīng)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(jì)算出相應(yīng)的質(zhì)量；由溫度傳感器，測量出載熱流體在通過散熱器的進(jìn)出口的溫差；最后由積分儀計(jì)算出相應(yīng)熱量。

　　2.1.2 目前熱量表在應(yīng)用中存在的問題分析 

    熱量表的問題重點(diǎn)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(shí)際使用中存在著許多的缺點(diǎn)，如：磁鋼在熱水中的退磁，磁鋼吸附水中的鐵銹等等，業(yè)界與用戶已經(jīng)很清楚了。隨著無磁流量傳感器的不斷成熟和發(fā)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(dāng)麻煩的，在編程中上的難度也較大，其功耗與可靠性均達(dá)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(yīng)用LC9723-IC芯片解決上述問題是目前最好方法 

    應(yīng)用LC9723-IC芯片解決上述問題就變得非常簡單，因?yàn)長C9723-IC芯片采樣器實(shí)現(xiàn)無磁采樣，正確反映葉輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)，其數(shù)字電路部分包括32位計(jì)數(shù)器、32位寄存器、控制器、通信接口，并自帶通信協(xié)議，時鐘頻率在32kHz～4MHz范圍內(nèi)均可選擇。工作原理是計(jì)數(shù)器實(shí)時記錄采樣器產(chǎn)生的流量脈沖，需要讀取傳感器數(shù)據(jù)時，只需上位單片機(jī)給傳感器芯片送入外接CLOCK，并發(fā)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(nèi)把數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，單片機(jī)停掉此CLOCK，傳感器芯片數(shù)字部分進(jìn)入靜態(tài)模式，功耗僅幾個納安，由單片機(jī)處理取回的數(shù)據(jù)。 

    單片機(jī)向傳感器芯片發(fā)出COPY指令時，是將計(jì)數(shù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)復(fù)制到寄存器中，在納秒級的時間內(nèi)完成，并有觸發(fā)沿時間保護(hù)，此過程不影響計(jì)數(shù)器的正常計(jì)數(shù)；在發(fā)出READ命令時單片機(jī)將寄存器中的數(shù)據(jù)取回，并送入響應(yīng)的通訊接口，此操作不影響計(jì)數(shù)器的正常工作，與單片機(jī)通訊時不影響傳感器正常采樣與計(jì)數(shù)。 

    應(yīng)用LC9723-IC傳感器，單片機(jī)只要定時與傳感器通訊讀取數(shù)據(jù)，即可得到流量計(jì)的瞬時流量，同時根據(jù)基表各流量點(diǎn)的當(dāng)量（或叫流量系數(shù)），就可以修正成準(zhǔn)確值。把每次瞬時流量累計(jì)即可得到累計(jì)流量，因此在熱量表上均可以實(shí)現(xiàn)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

    由此可以看出應(yīng)用LC9723-IC芯片后可以使流量計(jì)的流量誤差曲線更加平直，計(jì)量精度得到進(jìn)一步提高，且在一定誤差范圍內(nèi)的量程比拓寬了。另外，對于單片機(jī)的選型面也大大拓寬，而不僅限制于微功耗的幾種單片機(jī)上，單片機(jī)以實(shí)現(xiàn)間歇工作，即分時工作模式。在熱量表上除測量溫度、計(jì)算熱量外，其它時間均可進(jìn)入休眠模式，工休比可達(dá)到1/50～1/100，降低功耗效果十分顯著。在LC9723-IC芯片上有一個potential_pulse_out管腳輸出電平脈沖信號，以解決無流量時單片機(jī)長時間休眠的喚醒。這種做法應(yīng)用可以使熱量表平均總功耗達(dá)到小于20微安功耗指標(biāo)。

　　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(yīng)用簡介 

    2.2.1 LC9723-IC芯片在電子水表上的應(yīng)用。電子水表其種類比較多，主要有各類卡式表、電子計(jì)量式水表、GPRS電子式遠(yuǎn)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(yīng)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?xì)獗砩系膽?yīng)用。與電子水表上的應(yīng)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(jī)放在個防爆殼體里面的，應(yīng)用非常簡便，且具有高可靠性。 

    2.2.3 LC9723-IC芯片在轉(zhuǎn)速表上的應(yīng)用。對于LC9723-IC芯片在轉(zhuǎn)速表上的應(yīng)用是最簡單的，只需定時通信，讀取測量數(shù)據(jù)。 

    總之，應(yīng)用 LC9723-IC芯片在各類流量計(jì)上除實(shí)現(xiàn)其微功耗及其它一系列的優(yōu)點(diǎn)和好處外，更重要的是，可大幅提高計(jì)量精度，并在一定程度上拓寬量程比。

　　3 編程要點(diǎn)  

    LC9723-IC數(shù)字部分由控制器模塊、指令接收模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和計(jì)數(shù)器模塊組成，可實(shí)時對由LC9723-IC模擬部分產(chǎn)生的脈沖信號（上升沿）進(jìn)行計(jì)數(shù)，并通過3個引腳以串行方式與MCU通訊，實(shí)現(xiàn)讀取計(jì)數(shù)器結(jié)果、計(jì)數(shù)器清零及誤碼重讀功能。電路通過模擬部分提供的復(fù)位信號實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位功能，LC9723-IC內(nèi)置32位計(jì)數(shù)器和寄存器。

 
    輸入信號pulse由LC9723-IC模擬部分提供，與計(jì)數(shù)器模塊連接，計(jì)數(shù)器在pulse信號上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)。 

    輸入信號rst_n由LC9723-IC 模擬部分提供，對全部模塊進(jìn)行復(fù)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(shù)據(jù)發(fā)送模塊連接，為電路提供時鐘信號，上升沿觸發(fā)。 

    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(tài)進(jìn)行控制，串行接受指令。 

    輸出信號data_in由數(shù)據(jù)發(fā)送模塊提供，與外部MCU輸入端口連接，串行發(fā)送數(shù)據(jù)。 

　　3.1 接口時序

　　3.1.1 指令接收及發(fā)送數(shù)據(jù)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(yīng)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(fā)送數(shù)據(jù)。 

    Twork：收到正確指令后電路工作時間，該時間段內(nèi)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(guān)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(yīng)發(fā)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(yīng)（包括指令錯誤，偶校驗(yàn)錯誤，結(jié)束位錯誤）。

　　3.1.3 指令/數(shù)據(jù)傳輸時序

 
    LC9723-IC設(shè)計(jì)使用時鐘信號上升沿收發(fā)數(shù)據(jù)，因此為保證數(shù)據(jù)收發(fā)穩(wěn)定可靠，MCU應(yīng)盡量使用時鐘下降沿進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

　　3.2 指令和數(shù)據(jù)

　　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(fā)送。

　　3.2.1指令構(gòu)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(yàn)位和1位結(jié)束位。

　　3.2.2 數(shù)據(jù)構(gòu)成 

    LC9723-IC輸出數(shù)據(jù)共35位，其中包括1位起始位，32位數(shù)據(jù)位，1位偶校驗(yàn)位和1位結(jié)束位。

　　3.2.3 COPY指令 

    收到COPY指令后，電路將計(jì)數(shù)器counter中的數(shù)據(jù)拷貝到寄存器counter_reg中，并將計(jì)數(shù)器counter清零，同時data_out發(fā)送全零數(shù)據(jù)。 

　　3.2.4 READ指令
   

    收到READ指令后，電路將寄存器counter_reg中的數(shù)據(jù)通過data_out發(fā)送。 

　　3.3 操作 

    基于當(dāng)前指令集，MCU可實(shí)現(xiàn)實(shí)時計(jì)數(shù)結(jié)果讀取操作，并且可以對數(shù)據(jù)/指令傳輸異常進(jìn)行有效處理。

　　3.3.1 操作步驟

　　3.3.1.1 實(shí)時計(jì)數(shù)結(jié)果讀取

 
    當(dāng)MCU需要讀取當(dāng)前計(jì)數(shù)結(jié)果時，先向LC9723-IC發(fā)送一個COPY指令，待收到正確回應(yīng)后再發(fā)送一個READ指令，即可完成實(shí)時計(jì)數(shù)結(jié)果讀取操作。

　　3.3.1.2 READ指令異常處理 

    當(dāng)MCU發(fā)出READ指令后收到的數(shù)據(jù)異常（未能按時收到數(shù)據(jù)、偶校驗(yàn)錯誤、結(jié)束位錯誤）時，可向LC9723-IC再次發(fā)送一個READ指令，以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)結(jié)果重讀操作。

　　3.3.1.3 COPY指令異常處理 

    當(dāng)MCU發(fā)出COPY指令后收到的數(shù)據(jù)異常（收到數(shù)據(jù)非32’h0、未能按時收到數(shù)據(jù)、偶校驗(yàn)錯誤、結(jié)束位錯誤），應(yīng)向LC9723-IC發(fā)送READ指令，讀取寄存器數(shù)據(jù)，通過將本次讀取的數(shù)據(jù)與前次讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行比較判斷LC9723-IC是否已經(jīng)完成COPY操作，如果未完成操作，則需重新發(fā)送COPY指令。
 
    切勿連續(xù)發(fā)送COPY指令，從而導(dǎo)致LC9723-IC連續(xù)對計(jì)數(shù)器清零，使得計(jì)數(shù)結(jié)果丟失。 

    Copy指令執(zhí)行時MCU不要產(chǎn)生中斷，應(yīng)保持時鐘正常發(fā)送，待到Copy指令正常執(zhí)行完畢后再進(jìn)行中斷。

　　3.3.2 操作實(shí)例

　　3.3.2.1 初始化 

    向data_in發(fā)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(fā)送指令，此時電路進(jìn)入等待狀態(tài)，data_out輸出1。 

    寄存器counter_reg復(fù)位后初始狀態(tài)為全零（16’h0 / 32’h0）。

　　3.3.2.2 發(fā)送指令 

    當(dāng)電路處于等待狀態(tài)時，通過data_in向電路發(fā)送完整的指令信號，包括起始位、指令位、偶校驗(yàn)位及結(jié)束位。 

    當(dāng)電路接收到正確指令后進(jìn)入工作狀態(tài)。 

    當(dāng)電路接收到錯誤指令（包括指令錯誤，偶校驗(yàn)錯誤，結(jié)束位錯誤）后，繼續(xù)處于等待狀態(tài)，data_out保持1。
 
    為保證電路正常接收指令，應(yīng)盡量在時鐘信號下降沿附近進(jìn)行指令發(fā)送。

　　3.3.2.3 接收數(shù)據(jù) 

    電路進(jìn)入工作狀態(tài)5個時鐘周期（Twait）內(nèi)data_out保持1，5個時鐘周期后會進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，LC9723-IC將發(fā)送35位數(shù)據(jù)。 

    數(shù)據(jù)發(fā)送完成后電路進(jìn)入等待狀態(tài)，data_out輸出1。

　　3.3.2.4 關(guān)閉電路 

    數(shù)據(jù)發(fā)送完成5個時鐘周期后，可停止發(fā)送時鐘信號（保持0），此時電路不接收任何指令，data_out保持1。