基于三維矩陣光電讀碼電路的低功耗水表設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳仲庫1,，牛小民1，張林生，桑小田1，李躍偉，胡 斌

(1.漢威科技集團(tuán)股份有限公司， 鄭州 450001; 2.鄭州漢威智能儀表有限公司，鄭州 450001)

0 引言

隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)大和人口大量集中，機(jī)械水表在供水管理方面也越來越不能適應(yīng)社會(huì)發(fā)展，出現(xiàn)了許多弊端，同時(shí)伴隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展以及國家相關(guān)政策的推動(dòng)，水表的智能化將是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢[1-2]。智能化水表的推行，不但可以提高供水公司的工作效率，解決供水公司抄表困難、實(shí)時(shí)掌握用戶用水情況，也可在技術(shù)上為節(jié)約用水、合理用水創(chuàng)造條件[2]。光電直讀液封水表作為新一代智能水表代表，采用光、電一體化技術(shù)及絕對式光電編碼器原理，解析出碼盤的絕對角度位置——水表示數(shù)[3-4]。光電直讀智能水表是將光電對射控制電路灌封到碼盤腔中，隨時(shí)通過Mbus兩線載波原理將讀取到水表的示數(shù)傳給集中采集器，以取代人工現(xiàn)場讀取計(jì)算和分析，從而提高效率[5]。

光電直讀水表作為智能水表一種，實(shí)際應(yīng)用中多達(dá)500臺(tái)以上甚至上千臺(tái)水表接入到集中采集器，較大的水表功耗必將影響集中器的采集和效率，增加布線成本[2]。另外，水表體積越來越小，臃腫龐大的電路已不能滿足要求，需要以緊湊的電路設(shè)計(jì)出文檔的產(chǎn)品[6-7]。鑒于此本文提出一種基于三維矩陣電路讀取字輪碼盤的水表設(shè)計(jì)方案，它采用STM8L051超低功耗單片機(jī)為控制核心的分離式Mbus通訊電路設(shè)計(jì)構(gòu)思，有效解決了光電直讀水表功耗高和長期穩(wěn)定性得不到保障問題，使智能水表小型化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，依據(jù)本文方案設(shè)計(jì)的光電直讀智能水表通訊穩(wěn)定，功耗低，采集效率高，長效工作穩(wěn)定可靠。

1 光電直讀水表原理

光電直讀智能水表由表殼、轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪、齒輪計(jì)數(shù)器和光電對射控制電路組成，并將光電對射控制電路灌封到碼盤腔中。光電對射控制電路是智能水表的核心部件，也是本文論述的重點(diǎn)。

光電直讀智能水表采用微電子技術(shù)，它不需人工操作，通過電子方式判斷紅外收發(fā)光電對管是否穿過碼盤預(yù)留孔位，軟件編碼解析碼盤所在位置，依次解析4位碼盤位置即水表當(dāng)前用水示數(shù)，并將水表示數(shù)傳給集中器，實(shí)現(xiàn)直讀目的。讀表時(shí)總線瞬時(shí)載波供電，在不影響正常水表機(jī)械讀數(shù)情況下，通過二總線(MBUS)將數(shù)據(jù)回傳給集中器，由集中器判斷區(qū)間用水量。為確保集中器抄表穩(wěn)定可靠，每只水表地址唯一，集中器以電壓脈沖方式下發(fā)讀取指令，水表以拉電流方式回復(fù)水表示數(shù)，水表間互不干擾，通訊穩(wěn)定可靠[8-10]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

光電對射電控制電路由三維矩陣光電讀碼電路、低功耗微控電路、Mbus通訊載波解碼電路組成。將眾多水表連接到水表集中器上，水表功耗是智能水表設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖1 光電直讀水表原理框圖

2.1 低功耗微控電路

基于單片機(jī)控制電路是智能水表的控制核心，負(fù)責(zé)對碼盤判斷和解析集中器讀表指令。選用的STM8L051是一款性價(jià)比很高的超低功耗單片機(jī)，8 KB Flash滿足程序空間要求，256 byte EEP可存儲(chǔ)水表地址等關(guān)鍵參數(shù)，單片機(jī)最低運(yùn)行功耗能達(dá)到5.1 μA，內(nèi)部時(shí)鐘能擴(kuò)頻到16 MHz，多達(dá)40個(gè)外部中斷源和5 μs快速喚醒時(shí)間滿足低功耗設(shè)計(jì)要求，TTSOP20封裝尺寸體積僅5.5 mm*5.5 mm，節(jié)省了設(shè)計(jì)空間[5]。設(shè)計(jì)中除電源和復(fù)位管腳外均配置為IO，系統(tǒng)使用內(nèi)部16 MHz和32.768 kHz晶體在低功耗和通訊時(shí)使用，內(nèi)部晶體溫漂小于5%，本文設(shè)計(jì)通訊波特率為2400 bps，溫漂滿足設(shè)計(jì)要求[6]。

圖2 低功耗微控電路

另外考慮到水表長期穩(wěn)定工作和單片機(jī)的灌電流能力，而未直接使用單片機(jī)IO驅(qū)動(dòng)紅外對管，需要用三極管驅(qū)動(dòng)處理。

VCC端通過三極管后，給紅外接收和發(fā)射公共端提供電源，考慮到單片機(jī)上電復(fù)位后一般是高電平，以防誤動(dòng)作，故而選擇PNP三極管。紅外對管收發(fā)距離設(shè)計(jì)在7.5～10 mm之間，電流約1.5 mA，紅外發(fā)射管壓降為1.8 V，紅外管限流電阻R=(3.3-0.7-1.8)/0.0015≈510 Ω。紅外接收管為三極管型，接收到信號(hào)導(dǎo)通，不接受信號(hào)狀態(tài)未定，增加下拉電阻，一般選擇100 kΩ，此時(shí)確保滿足要求情況下功耗最小。

2.2 三維矩陣光電讀碼電路

由光電直讀水表工作原理可知，水表有4個(gè)圓形碼盤，每個(gè)碼盤上刻有0～9，水流時(shí)齒輪帶動(dòng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，能顯示0000～9999，碼盤的徑向有大小不同3個(gè)孔位，碼盤兩側(cè)分別接收側(cè)立板和發(fā)送側(cè)立板，側(cè)立板各有5組紅外發(fā)射管或紅外接收管，解析紅外發(fā)射是否被紅外接收管接收到來判斷碼盤所處的位置。5組紅外對管能組合25=32種狀態(tài)編碼，分別表示0～9所在位置[6]。

圖3 水表讀取碼盤3D演示圖

圖4 三維矩陣光電讀碼電路原理圖

4個(gè)碼盤兩側(cè)設(shè)計(jì)有5組紅外對管，考慮到低功耗及電路優(yōu)化，設(shè)計(jì)上采用三維矩陣掃描方式，即先使一組碼盤所在的公共端導(dǎo)通，同時(shí)給某一個(gè)紅外發(fā)射管電平信號(hào)，讓該紅外發(fā)射管導(dǎo)通，此時(shí)別的紅外發(fā)射管不允許導(dǎo)通，然后讀取與此紅外發(fā)射管對面的紅外接收管的狀態(tài)，判斷是否通過碼盤小孔，以此方式，讀取一個(gè)碼盤的5個(gè)紅外接收管狀態(tài)后，即可根據(jù)狀態(tài)編碼表判斷該碼盤所在的位置，以此判斷其他3個(gè)碼盤位置，將讀取數(shù)據(jù)由微控單元轉(zhuǎn)換成水表示數(shù)。此電路有效解決了功耗問題和小孔串光干擾問題，并通過14個(gè)IO口實(shí)現(xiàn)了20對光電對管的控制，簡化了電路，提高了穩(wěn)定性，并且每一塊側(cè)立板僅有接收管或發(fā)射管，電路板復(fù)用效率高。上述原理工作過程簡述如下：

1)第1通道導(dǎo)通，別的通道均關(guān)閉，即Q1導(dǎo)通，Qn不導(dǎo)通；

2)第一組發(fā)射管導(dǎo)通，別的發(fā)射管均關(guān)閉，即S1-1導(dǎo)通，別的均不導(dǎo)通；

3)掃描導(dǎo)通的紅外發(fā)射管對應(yīng)的紅外接收管狀態(tài)，即讀取R1-1狀態(tài)；

4)如此循環(huán)，依次導(dǎo)通剩余四組對管，并掃描對應(yīng)的接收管狀態(tài)，即循環(huán)依次導(dǎo)通S1-2讀取R1-2狀態(tài)，直到讀完R1-5；

5)獲取并暫存第1位碼盤所在位置信息，即讀取了一位碼值；

6)重復(fù)上述動(dòng)作，依次導(dǎo)通剩余3通道，并讀取存儲(chǔ)對應(yīng)碼值，即如上循環(huán)，Q2導(dǎo)通，其余Q不導(dǎo)通，重復(fù)上述步驟，完成4位碼盤所在位置信息，即將水表機(jī)械示數(shù)讀取出來。

三維矩陣電路優(yōu)勢：

1)較少的IO口實(shí)現(xiàn)了較多IO才能實(shí)現(xiàn)的功能，減少體積和單片機(jī)資源；

2)驅(qū)動(dòng)電流小，三維掃描方式，每次只需要1.5 mA電流；

3)抗干擾強(qiáng)，每次只開通一通道或1路發(fā)射，僅接收與發(fā)射管對應(yīng)的接收管，強(qiáng)光或外界不受干擾；

4)運(yùn)行邏輯簡單，僅僅需要開通某一通道，置位某一位，掃描對應(yīng)位狀態(tài)即可；

5)PCB重復(fù)應(yīng)用高，5塊立板只需一種PCB板即可，電路板兩邊可選擇性作為接收或發(fā)射元件。

2.3 分離式MBUS通訊電路

由智能表工作原理，集中器發(fā)送的高電平DC24V，低電平DC12V信號(hào)，Mbus通訊電路將電平轉(zhuǎn)換后后給單片機(jī)，設(shè)計(jì)單壓差是10V左右，為使信號(hào)更穩(wěn)定可靠，增加穩(wěn)壓管鉗位，如果電壓低于20 V則認(rèn)為是低電平，高于24+0.7 V認(rèn)為是高電平，同時(shí)驅(qū)動(dòng)三極管，接收到的信號(hào)與單片機(jī)TTL電平相位相反?？紤]到功耗和成本問題，本文設(shè)計(jì)未選用集成IC[11-12]。

水表接收到集中器信號(hào)后，將讀取到的水表示數(shù)以拉電流方式回復(fù)為集中器。通過DZ1瞬間將低電位鉗位，與Q2，Q3及電阻配合調(diào)制RXD信號(hào)。所述TXD發(fā)送調(diào)制轉(zhuǎn)換電路(圖5)通過R13，Q1，R14調(diào)整發(fā)送電流，Mbus設(shè)計(jì)回流在14～20mA之間。

回流計(jì)算公式：

Ic=(VCC-0.7)/(R13+R14*(1+β))*β

圖5 分離式Mbus通訊電路

使用橋接芯片D0設(shè)計(jì)的水表接線無方向性，使用LDO電源芯片U2給水表光電及控制電路提供穩(wěn)定的電源，這種分離器件方式價(jià)格相對便宜，功耗低，體積小，轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定可靠。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為保證基于三維矩陣智能水表準(zhǔn)確讀取表盤示數(shù)并且能準(zhǔn)確有效地與上一級(jí)設(shè)備數(shù)據(jù)交換(集中采集器讀表)，系統(tǒng)需在低功耗模式下運(yùn)行，系統(tǒng)軟件在硬件配合情況下工作，水表嵌入式軟件包括系統(tǒng)軟件，三維矩陣讀碼軟件協(xié)調(diào)完成，并按照水表行業(yè)A188協(xié)議解析執(zhí)行。以下分別介紹。

3.1 系統(tǒng)軟件工作過程

智能水表工作原理和它應(yīng)用的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)可知，抄表系統(tǒng)面對眾多并聯(lián)的水表用戶，這些水表通過Mbus總線接入集中采集器，抄表系統(tǒng)按地址讀取每只智能水表，每只水表在總線上都有唯一編號(hào)[5]?？偩€上電每只水表接通電源，初始化水表內(nèi)部參數(shù)，這些參數(shù)包括水表地址，內(nèi)部eep，通訊參數(shù)，水表特征參數(shù)等等，如果參數(shù)錯(cuò)誤，將提取上次讀表示數(shù)并終止讀表，等待集中器抄表時(shí)將上次數(shù)據(jù)和故障代碼一并上傳；如果參數(shù)正確，將按地址先后順序進(jìn)行一次三維矩陣讀碼，按地址先后順序讀碼，可以降低總線上眾多水表同時(shí)讀表負(fù)載壓力，此時(shí)將數(shù)據(jù)緩存后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，直到有上一級(jí)集中器掃描到此地址的水表——抄表，喚醒水表后，水表將再一次三維矩陣讀碼，為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，將兩次讀碼進(jìn)行比較，不一致將再次讀取，三次不一致將放棄讀取，認(rèn)為該地址水表有問題，上傳時(shí)將上次存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)連同傳故障代碼一并上傳；若兩次比較一致將按照水表通訊協(xié)議將讀取到的示值上傳集中器并進(jìn)入深度休眠狀態(tài)，直到下一次集中器抄表喚醒。工作流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)工作流程圖

3.2 三維矩陣讀碼設(shè)計(jì)

三維矩陣讀碼電路是智能水表的核心技術(shù)，通過電路方式能減少了硬件資源，避免了紅外接收對管受強(qiáng)光或外紅光干擾，同時(shí)減少了布線空間，能實(shí)現(xiàn)緊湊型結(jié)構(gòu)。由三維矩陣電路原理可知：它采用依次打開控制位和依次置位發(fā)射位、并同時(shí)掃描接收位的三維矩陣協(xié)調(diào)完成工作。4位碼字依次由4通道控制，每位碼字兩邊對應(yīng)的5對紅外接收、發(fā)射對管，并依次循環(huán)置位和掃描讀取這五組對管。工作流程如圖7，抄讀完4通道數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)緩存，等待系統(tǒng)控制或讀取。

接收對管采用高低電平方式判斷是否通過碼盤小孔，通過為1，不通過為0。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，考慮到紅外對管發(fā)射或接收傳感器失效或衰減問題。軟件設(shè)計(jì)中增加一種處理機(jī)制，通過單片機(jī)內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換器讀出是否接收到信號(hào)。

圖7 三維矩陣讀碼軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將文中提出的基于三維矩陣光電讀碼電路和分離式Mbus通訊電路設(shè)計(jì)的低功耗電路，應(yīng)用在直飲智能光電直讀水表上，分別進(jìn)行功耗實(shí)驗(yàn)測試和長期穩(wěn)定性測試。

4.1 系統(tǒng)功耗實(shí)驗(yàn)測試

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簻y試本文設(shè)計(jì)的光電直讀直飲智能水表運(yùn)行功耗和總線帶載能力。

實(shí)驗(yàn)方法：集中器讀取直飲水表計(jì)量數(shù)值，分別記錄不同狀態(tài)下電流情況。

測試條件：集中器下行載波信號(hào)VH=27 V，VL=18 V；環(huán)境溫度25 ℃，相對濕度55%RH。

測試設(shè)備：電壓表，電流表，示波器

數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 實(shí)測智能水表功耗數(shù)據(jù)記錄

從測試數(shù)據(jù)看，待機(jī)電流0.71 mA，集中采集器每通道最大接入127路，4通道512路負(fù)載計(jì)算，在回碼時(shí)，總電流也不大于110mA。若施工預(yù)留20%余量，總線理論可滿足4.5 km長度。

4.2 長期穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)測試

將基于三維矩陣電路的光電直讀智能水表模擬實(shí)際應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)觀察長期穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)按每10分鐘或每天讀取一次循環(huán)水讀表示值。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。分別記錄了單只水表連續(xù)30天曲線圖和3只水表40余天曲線記錄。

圖8 實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)

圖9 單只水表運(yùn)行記錄

圖10 水表長期運(yùn)行數(shù)據(jù)曲線記錄

5 結(jié)束語

基于三維矩陣光電讀碼電路的超低功耗水表設(shè)計(jì)，已批量應(yīng)用于小體積直飲水戶表上。并在鄭州某供水公司長期使用，從使用2年運(yùn)行情況看，抄表數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率100%，單表運(yùn)行功耗小于1.4 mA，最遠(yuǎn)距離達(dá)到1400 m，現(xiàn)場每只集中器掛載450只水表以上，運(yùn)行平穩(wěn)無異常出現(xiàn)，基本解決了光電直讀水表低功耗問題和長期穩(wěn)定性問題。

創(chuàng)新點(diǎn)，將三維矩陣光電讀碼電路和分離式MBUS載波電路搭載低功耗微控電路有效應(yīng)用在光電直讀水表上，通訊距離更遠(yuǎn)，減小了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間，長期穩(wěn)定性更優(yōu)。本文設(shè)計(jì)方案價(jià)格相對便宜，具有很好的應(yīng)用前景和擴(kuò)展優(yōu)勢。