LC9723_IC芯片在葉輪式流量儀表中的應(yīng)用

摘要：
目前在工業(yè)用和民用的供水、供氣、供暖計量應(yīng)用中，如電子類水表、熱量表、燃氣表等都應(yīng)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(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)速來計算流量。但由于結(jié)構(gòu)的制造工藝不一致和運動件旋轉(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(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：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計算機實現(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、燃氣表、燃料加油機、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）進入探測有效區(qū)域時，產(chǎn)生回波，被線圈接收，當被測物（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。當系統(tǒng)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(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(shè)計，各功能塊之間電位定義嚴格，以實現(xiàn)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(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(zhuǎn)。

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

對金屬片進出探測區(qū)域內(nèi)的次數(shù)進行計數(shù)，并同步存入32位計數(shù)器；MCU與本芯片通信時，MCU發(fā)送指令，先將計數(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(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)行芯片電磁兼容標準
封裝形式：TSSOP14，TSSOP16，TSSOP20，TSSOP24體積小，方便應(yīng)用。

2 應(yīng)用實例
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出口的溫差；最后由積分儀計算出相應(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(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(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，因為LC9723-IC芯片采樣器實現(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。工作原理是計數(shù)器實時記錄采樣器產(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，單片機停掉此CLOCK，傳感器芯片數(shù)字部分進入靜態(tài)模式，功耗僅幾個納安，由單片機處理取回的數(shù)據(jù)。

單片機向傳感器芯片發(fā)出COPY指令時，是將計數(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，此過程不影響計數(shù)器的正常計數(shù)；在發(fā)出READ命令時單片機將寄存器中的數(shù)據(jù)取回，并送入響應(yīng)的通訊接口，此操作不影響計數(shù)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(shù)。

應(yīng)用LC9723-IC傳感器，單片機只要定時與傳感器通訊讀取數(shù)據(jù)，即可得到流量計的瞬時流量，同時根據(jù)基表各流量點的當量（或叫流量系數(shù)），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(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的流量誤差曲線更加平直，計量精度得到進一步提高，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，單片機以實現(xiàn)間歇工作，即分時工作模式。在熱量表上除測量溫度、計算熱量外，其它時間均可進入休眠模式，工休比可達到1/50～1/100，降低功耗效果十分顯著。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(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芯片在燃氣表上的應(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芯片在各類流量計上除實現(xiàn)其微功耗及其它一系列的優(yōu)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(shù)字部分由控制器模塊、指令接收模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和計數(shù)器模塊組成，可實時對由LC9723-IC模擬部分產(chǎn)生的脈沖信號（上升沿）進行計數(shù)，并通過3個引腳以串行方式與MCU通訊，實現(xiàn)讀取計數(shù)器結(jié)果、計數(shù)器清零及誤碼重讀功能。電路通過模擬部分提供的復(fù)位信號實現(xiàn)上電復(fù)位功能，LC9723-IC內(nèi)置32位計數(shù)器和寄存器。

輸入信號pulse由LC9723-IC模擬部分提供，與計數(shù)器模塊連接，計數(shù)器在pulse信號上升沿進行計數(shù)。
輸入信號rst_n由LC9723-IC 模擬部分提供，對全部模塊進行復(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位偶校驗位和1位結(jié)束位。
3.2.3 COPY指令

收到COPY指令后，電路將計數(shù)器counter中的數(shù)據(jù)拷貝到寄存器counter_reg中，并將計數(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
基于當前指令集，MCU可實現(xiàn)實時計數(shù)結(jié)果讀取操作，并且可以對數(shù)據(jù)/指令傳輸異常進行有效處理。
3.3.1 操作步驟
3.3.1.1 實時計數(shù)結(jié)果讀取

當MCU需要讀取當前計數(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，即可完成實時計數(shù)結(jié)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(shù)據(jù)異常（未能按時收到數(shù)據(jù)、偶校驗錯誤、結(jié)束位錯誤）時，可向LC9723-IC再次發(fā)送一個READ指令，以實現(xiàn)計數(shù)結(jié)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(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)對計數(shù)器清零，使得計數(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)行完畢后再進行中斷。
3.3.2 操作實例
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、偶校驗位及結(jié)束位。
當電路接收到正確指令后進入工作狀態(tài)。
當電路接收到錯誤指令（包括指令錯誤，偶校驗錯誤，結(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行指令發(fā)送。
3.3.2.3 接收數(shù)據(jù)
電路進入工作狀態(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。