№5 / 2018 / статья 4

Реализация счетчика потока на беспроводном микроконтроллере CC13x2R

Йорген Лангфельт, Свейн Ветти, Симон Йозефсен (Texas Instruments)

Беспроводные контроллеры серии Simple Link производства Texas Instruments позволяют разработать счетчики потока газа/жидкости с максимальной экономией потребления при измерении и оптимальным распределением вычислительных ресурсов.

Обеспечение минимального уровня потребления является чрезвычайно важной задачей при разработке счетчиков, для которых срок службы от одной батарейки должен составлять как минимум 10 лет. Беспроводные микроконтроллеры SimpleLink ™ CC13x2 и CC26x2 производства компании Texas Instruments™ создавались для достижения минимального уровня потребления как в процессе измерений, так и при обмене по радиоканалу.

Передача показаний счетчика по радиоканалу происходит не очень часто, обычно – несколько раз в день. Обеспечение минимального тока потребления в режиме передачи по радиоканалу имеет большое значение, так как это гарантирует малые значения пиковых токов и длительный срок службы батарейки. Зачастую более сложной задачей становится получение низкого среднего тока в процессе выполнения измерений. Контроль скорости потока должен выполняться непрерывно, а это требует, чтобы микроконтроллер в течение одной секунды активизировался много раз. В дополнение к процессорному ядру ARM Cortex-M4F беспроводные микроконтроллеры CC13x2 и CC26x2 (рисунок 1) имеют в составе контроллер датчиков (Sensor Controller), который представляет собой отдельный 16-разрядный сопроцессор, обеспечивающий минимальное потребление в процессе выполнения измерений.

Рис. 1. Блок-схема CC13x2 и CC26x2

Рис. 1. Блок-схема CC13x2 и CC26x2

Принципы измерения скорости потока

Существует множество способов реализации датчика потока. В данной статье основное внимание уделяется индуктивному принципу измерения. Популярность этого метода объясняется его высокой стойкостью к внешним несанкционированным воздействиям или, проще говоря, к скруткам. Мы также рассмотрим случай, когда контроллер просто подсчитывает импульсы. Так как встроенный контроллер датчиков является программируемым сопроцессором, то его можно использовать для реализации счетчиков, использующих другие принципы измерения,  например, емкостные методы.

Блок-схема встроенного контроллера датчиков

Контроллер датчиков является частью системы, объединяющей аналоговые и цифровые периферийные блоки, оптимизированные для получения сверхмалого уровня потребления (рисунок 2). Аналоговая периферия включает 12-разрядный АЦП, два компаратора, программируемый источник тока и 8-разрядный ЦАП (источник опорного напряжения). Цифровая часть системы содержит три таймера, малопотребляющий счетчик, 10-нс цифровой преобразователь времени (TDC), SPI-интерфейс и аппаратный умножитель. С помощью контроллера датчиков эти периферийные блоки можно настраивать для работы с аналоговыми и цифровыми датчиками, при этом обеспечивая очень малое потребление мощности.

Рис. 2. Блок-схема контроллера датчиков

Рис. 2. Блок-схема контроллера датчиков

Индуктивный принцип измерения скорости потока

Поток газа или жидкости, проходя через счетчик, заставляет вращаться измерительный диск. Диск частично покрыт металлом и вращается над двумя катушками индуктивности. Индуктивности входят в состав LC-контура, в котором при возбуждении короткими импульсами тока возникают электрические колебания. Из-за потерь в контуре колебания постепенно затухают. Время затухания зависит от того, находится ли катушка под металлической частью диска или нет. Таким образом, положение диска может быть обнаружено путем подсчета импульсов с помощью компаратора. Используя две катушки, повернутые на 90° друг относительно друга, можно оценить, как быстро вращается диск, а также определить направление вращения.

Скорость вращения позволяет вычислять скорость потока, а информация о направлении потока используется для обнаружения попыток скрутить показания. Более подробно об индуктивном методе измерений рассказывается в документе «Low-Power Water Flow Measurement With Inductive Sensing Reference Design».

Реализация измерительной системы

На рисунке 3 показана упрощенная схема, на которой представлены периферийные блоки, используемые в процессе измерений. Для реализации индуктивного датчика на базе CC13x2 и CC26x2 оптимальной тактовой частотой будет 2 МГц. Минимальная задержка при включении обеспечивает малые затраты мощности при пробуждении, поэтому высокая частота измерений (100 Гц) сопровождается минимальным уровнем потребления (таблица 1). ЦАП используется в качестве программируемого источника опорного напряжения для компаратора. Он также необходим для выполнения начальной калибровки системы.

Рис. 3. Упрощенная схема индуктивного датчика потока

Рис. 3. Упрощенная схема индуктивного датчика потока

Таблица 1. Показатели потребления при различной частоте измерений

Частота, Гц 16 100
Типовой средний ток потребления, мкА 1,6 3,9

Подсчет импульсов

В двухпроцессорной системе, в которой метрологией занимается отдельный микроконтроллер, контроллер датчиков может использоваться только для подсчета импульсов.

Так как контроллер датчиков имеет встроенный малопотребляющий счетчик, то подсчет импульсов можно выполнять на аппаратном уровне с минимальным потреблением. Типовые значения тока потребления для различных температур при частоте опроса 12 Гц представлены в таблице 2.

Таблица 2. Ток потребления при различных температурах (частота опроса 12 Гц)

Температура, °С Типовой средний ток потребления, мкА
-40 0,8
25 0,9
40 1,1
60 1,8
85 4,4

Беспроводной радиопротокол

TI предлагает микроконтроллеры CC13x2 и CC26x2 с поддержкой различных стеков беспроводных протоколов. Среди доступных решений есть стеки, которые можно модифицировать под задачи пользователя, а есть и стандартные протоколы, такие как Wireless M-Bus Protocol и TI 15.4-Stack, которые входят в комплект ПО SimpleLink CC13x2 Software Development Kit. Микроконтроллеры CC1352 являются мультипротокольными. Они позволяют создавать приложения с поддержкой субгигагерцевых каналов связи, а также протоколов Bluetooth® low energy и (или) Zigbee® , работающих на частоте 2,4 ГГц.

Литература

  1. Sensor Controller Studio
  2. Руководства по применению: Getting Started With the CC13xx and CC26xx Sensor Controller
  3. Integrating Sensor Controller Studio Examples Into ProjectZero
  4. Wireless Motion Detector With SimpleLink™ Sub-1 GHz Wireless MCU

Видео

  1. SimpleLink™ Academy: Introduction to Sensor Controller
  2. LC-Sensing – A Key Subsystem in Smart Water and Heat Meters
  3. Single-Chip Smart Water Meter with Dual Band RF and Infrared Port

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, ...читать далее

Товары
Наименование
CC1352R1F3RGZR (TI)
CC1352R1F3RGZT (TI)