摘要： 

    目前在工業(yè)用和民用的供水、供氣、供暖計量應用中，如電子類(lèi)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(dòng)推動(dòng)葉輪旋轉，理論上葉輪的轉動(dòng)速度與流速成正比關(guān)系，通過(guò)測量葉輪的轉速來(lái)計算流量。但由于結構的制造工藝不一致和運動(dòng)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(guān)系存在誤差，將葉輪的轉速（通過(guò)測量）與實(shí)際各種不同流量之間的關(guān)系畫(huà)成曲線(xiàn)就是流量誤差關(guān)系曲線(xiàn)。為了在實(shí)際應用中更好的使流量誤差曲線(xiàn)平直以減少誤差，就要用可行的方法根據曲線(xiàn)的特性對該曲線(xiàn)通過(guò)電子的方法進(jìn)行校正，通過(guò)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(guò)改進(jìn)機械結構來(lái)修正流量曲線(xiàn)在效果和范圍上的難度。本文針對上述問(wèn)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(shù)狀況與技術(shù)領(lǐng)域 

    LC9723-IC芯片是以發(fā)明專(zhuān)利“幅度頻率變化差異比較式采樣器”（專(zhuān)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(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；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(chǎng)合；C，具有存儲功能，自帶數字通信接口與通信協(xié)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(shí)現通信，并且具有優(yōu)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(gè)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(shí)現。振蕩器連接具有聚焦性能的線(xiàn)圈（片外器件），并由此線(xiàn)圈發(fā)射電磁波；被測物（金屬片）進(jìn)入探測有效區域時(shí)，產(chǎn)生回波，被線(xiàn)圈接收，當被測物（金屬片）離開(kāi)有效探測區域時(shí)，恢復初始狀態(tài)，此變化定義為系統內部特征量的變化，產(chǎn)生有效信號。當被測物體振動(dòng)或者按軸向竄動(dòng)時(shí)，幅度的變化速度比正常情況下要大得多，發(fā)生時(shí)間極短，基本上來(lái)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(fā)生的幾率。當系統受到來(lái)自外部的強靜磁或強電磁場(chǎng)的干擾時(shí)，采樣電磁波的幅度與頻率轉電壓值產(chǎn)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(mǎn)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(guò)驅動(dòng)電路處理并輸出，同時(shí)通過(guò)刷新電路對基準進(jìn)行刷新，精確的反映不同時(shí)刻的瞬時(shí)值；本芯片有時(shí)間控制、確定的閾值設計，各功能塊之間電位定義嚴格，以實(shí)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(chǎn)生計數信號。其中potential_pulse_out電平脈沖，用以產(chǎn)生中斷，喚醒休眠狀態(tài)的計算機；fixed_pulse_out 正脈寬20μs， delay_pulse_out比f(wàn)ixed_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(jìn)出探測區域內的次數進(jìn)行計數，并同步存入32位計數器；MCU與本芯片通信時(shí)，MCU發(fā)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(shí)，數字部分進(jìn)入靜態(tài)省電模式。在需要測量瞬時(shí)流速時(shí)，只要定時(shí)讀取LC9723-IC中的數據，即可容易的得到瞬時(shí)流速。 

    LC9723-IC芯片有供電工作方式和外供電工作方式。能實(shí)現兩種供電方式之間的無(wú)縫隙轉接，以方便通信（如智能儀表的遠程抄表）。

　　1.4 技術(shù)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(shí)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(wú)磁性采樣 

    采樣頻率：1～1500Hz，采樣精度1/10000 

    時(shí)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(mǎn)足相關(guān)應用領(lǐng)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(shí)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(jiǎn)述 

    熱量表的工作原理是比較簡(jiǎn)單的，概括的講就是通過(guò)流量傳感器測量出載熱流體的體積，并計算出相應的質(zhì)量；由溫度傳感器，測量出載熱流體在通過(guò)散熱器的進(jìn)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(wèn)題分析 

    熱量表的問(wèn)題重點(diǎn)仍然集中在流量的采集與流量誤差曲線(xiàn)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(wú)磁方案。有磁流量傳感器在熱量表的實(shí)際使用中存在著(zhù)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(hù)已經(jīng)很清楚了。隨著(zhù)無(wú)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(wú)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(xiàn)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(shí)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(wèn)題是目前最好方法 

    應用LC9723-IC芯片解決上述問(wèn)題就變得非常簡(jiǎn)單，因為L(cháng)C9723-IC芯片采樣器實(shí)現無(wú)磁采樣，正確反映葉輪轉動(dòng)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(xié)議，時(shí)鐘頻率在32kHz～4MHz范圍內均可選擇。工作原理是計數器實(shí)時(shí)記錄采樣器產(chǎn)生的流量脈沖，需要讀取傳感器數據時(shí)，只需上位單片機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(shí)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(jìn)入靜態(tài)模式，功耗僅幾個(gè)納安，由單片機處理取回的數據。 

    單片機向傳感器芯片發(fā)出COPY指令時(shí)，是將計數器內的數據復制到寄存器中，在納秒級的時(shí)間內完成，并有觸發(fā)沿時(shí)間保護，此過(guò)程不影響計數器的正常計數；在發(fā)出READ命令時(shí)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(shí)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(shí)與傳感器通訊讀取數據，即可得到流量計的瞬時(shí)流量，同時(shí)根據基表各流量點(diǎn)的當量（或叫流量系數），就可以修正成準確值。把每次瞬時(shí)流量累計即可得到累計流量，因此在熱量表上均可以實(shí)現流量曲線(xiàn)的校正功能。如下圖： 

典型的流量-誤差曲線(xiàn)    

電子修正后的流量-誤差曲線(xiàn)

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

　　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L(cháng)C9723-IC芯片工作模式。

　　2.2 LC9723-IC芯片在其他儀表上的應用簡(jiǎn)介 

    2.2.1 LC9723-IC芯片在電子水表上的應用。電子水表其種類(lèi)比較多，主要有各類(lèi)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(mǎn)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(wèn)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(mén)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(lèi)似，唯一不同的是，流量曲線(xiàn)不同。其防爆問(wèn)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(gè)防爆殼體里面的，應用非常簡(jiǎn)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(jiǎn)單的，只需定時(shí)通信，讀取測量數據。 

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

　　3 編程要點(diǎn)  

    LC9723-IC數字部分由控制器模塊、指令接收模塊、數據發(fā)送模塊和計數器模塊組成，可實(shí)時(shí)對由LC9723-IC模擬部分產(chǎn)生的脈沖信號（上升沿）進(jìn)行計數，并通過(guò)3個(gè)引腳以串行方式與MCU通訊，實(shí)現讀取計數器結果、計數器清零及誤碼重讀功能。電路通過(guò)模擬部分提供的復位信號實(shí)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(jìn)行計數。 

    輸入信號rst_n由LC9723-IC 模擬部分提供，對全部模塊進(jìn)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(fā)送模塊連接，為電路提供時(shí)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由數據發(fā)送模塊提供，與外部MCU輸入端口連接，串行發(fā)送數據。 

　　3.1 接口時(shí)序

　　3.1.1 指令接收及發(fā)送數據時(shí)序

 
    Tinit：電路初始時(shí)間，5個(gè)時(shí)鐘周期，該時(shí)間段及無(wú)時(shí)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(gè)周期。 

    Twait：輸出響應時(shí)間，5個(gè)時(shí)鐘周期，即電路將在收到正確指令5個(gè)時(shí)鐘周期后從輸出端data_out發(fā)送數據。 

    Twork：收到正確指令后電路工作時(shí)間，該時(shí)間段內電路不再接收其他指令。LC9723-IC Twork為40個(gè)時(shí)鐘周期。 

    Tstop：電路完成工作至關(guān)閉時(shí)鐘的時(shí)間，5個(gè)時(shí)鐘周期，以確保電路已完成全部操作。

　　空閑時(shí)間段，MCU應發(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(shí)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(shí)序

 
    LC9723-IC設計使用時(shí)鐘信號上升沿收發(fā)數據，因此為保證數據收發(fā)穩定可靠，MCU應盡量使用時(shí)鐘下降沿進(jìn)行數據收發(fā)。

　　3.2 指令和數據

　　LC9723-IC共包含兩條指令COPY和READ，通過(guò)data_in串行接收，通過(guò)data_out串行發(fā)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(shí)data_out發(fā)送全零數據。 

　　3.2.4 READ指令
   

    收到READ指令后，電路將寄存器counter_reg中的數據通過(guò)data_out發(fā)送。 

　　3.3 操作 

    基于當前指令集，MCU可實(shí)現實(shí)時(shí)計數結果讀取操作，并且可以對數據/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(shí)計數結果讀取

 
    當MCU需要讀取當前計數結果時(shí)，先向LC9723-IC發(fā)送一個(gè)COPY指令，待收到正確回應后再發(fā)送一個(gè)READ指令，即可完成實(shí)時(shí)計數結果讀取操作。

　　3.3.1.2 READ指令異常處理 

    當MCU發(fā)出READ指令后收到的數據異常（未能按時(shí)收到數據、偶校驗錯誤、結束位錯誤）時(shí)，可向LC9723-IC再次發(fā)送一個(gè)READ指令，以實(shí)現計數結果重讀操作。

　　3.3.1.3 COPY指令異常處理 

    當MCU發(fā)出COPY指令后收到的數據異常（收到數據非32’h0、未能按時(shí)收到數據、偶校驗錯誤、結束位錯誤），應向LC9723-IC發(fā)送READ指令，讀取寄存器數據，通過(guò)將本次讀取的數據與前次讀取數據進(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。
 
    切勿連續發(fā)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(shí)MCU不要產(chǎn)生中斷，應保持時(shí)鐘正常發(fā)送，待到Copy指令正常執行完畢后再進(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(shí)鐘信號clk，5個(gè)時(shí)鐘周期后即可發(fā)送指令，此時(shí)電路進(jìn)入等待狀態(tài)，data_out輸出1。 

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

　　3.3.2.2 發(fā)送指令 

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

    當電路接收到正確指令后進(jìn)入工作狀態(tài)。 

    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(tài)，data_out保持1。
 
    為保證電路正常接收指令，應盡量在時(shí)鐘信號下降沿附近進(jìn)行指令發(fā)送。

　　3.3.2.3 接收數據 

    電路進(jìn)入工作狀態(tài)5個(gè)時(shí)鐘周期（Twait）內data_out保持1，5個(gè)時(shí)鐘周期后會(huì )進(jìn)行數據發(fā)送，LC9723-IC將發(fā)送35位數據。 

    數據發(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 

    數據發(fā)送完成5個(gè)時(shí)鐘周期后，可停止發(fā)送時(shí)鐘信號（保持0），此時(shí)電路不接收任何指令，data_out保持1。