CN113588022A - 一种户用三表低功耗超声波计量芯片及低功耗控制方法 - Google Patents
一种户用三表低功耗超声波计量芯片及低功耗控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种户用三表低功耗超声波计量芯片及低功耗控制方法，本发明实施例针对户用水表、燃气表早中晚短时工作，热量表冬季工作夏季静止的显著特点，设计一种双核的超声波SOC芯片，即32位主MCU和超低功耗4位MCU,后者专用于监测流体是否流动，称为值班MCU。主MCU和值班MCU的信号检测端均与超声波测量单元电连接，主MCU和值班MCU电连接。当主MCU检测到流体静止时，进入休眠状态，值班MCU工作，继续通过超声波测量单元对流体状态进行监测。如果流体流速出现扰动，值班MCU结束主MCU休眠状态，同时值班MCU进入休眠状态。由于值班MCU的运行功耗仅为主MCU的1‑2％，从而极大地降低系统功耗。
Description
技术领域
本申请涉及超声波计量表技术领域，具体涉及一种户用三表低功耗超声波计量芯片及低功耗控制方法。
背景技术
当前，户用三表仍大量应用机械表，机械表具有计量精度低、流阻大、易磨损、不便上网远传等缺点，随着智慧城市进程的推进，户用三表的升级换代迫在眉睫。
基于超声波测量原理的户用三表具有流阻小、精度高、全电子化、智能化、便于远传等优点，是户用三表的发展方向。近年来，超声波热表已大量应用，超声波水表已推广应用，超声波燃气表开始应用。超声波户用三表要求电池供电，维持至少六年不换电池。
目前，国内户用超声波三表芯片主要应用美国TI公司的MSP430系列16位微控制器(MCU)芯片，外加德国ACAM公司的超声波测量芯片GP22构成，存在功耗高和集成度低的缺点，影响了超声波户用三表的大力推广。
发明内容
本申请为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供了一种户用三表低功耗超声波计量芯片，包括：超声波测量单元、主MCU、值班MCU和时钟管理单元，所述值班MCU功耗仅为所述主MCU功率的2％，所述主MCU和所述值班MCU的信号检测端均与所述超声波测量单元电连接，所述时钟管理单元分别与所述超声波测量单元、主MCU和值班MCU电连接。
采用上述实现方式，户用水表、燃气表早中晚短时工作，热量表冬季工作夏季静止的显著特点，设计一种双核的超声波SOC芯片，即32位主MCU和超低功耗4位MCU,后者专用于监测流体是否流动，称为值班MCU。主MCU和值班MCU的信号检测端均与超声波测量单元电连接，主MCU和值班MCU电连接。当主MCU检测到流体静止时，进入休眠状态，值班MCU工作，继续通过超声波测量单元对流体状态进行监测。如果流体流速出现扰动，值班MCU结束主MCU休眠状态，同时值班MCU进入休眠状态。由于值班MCU的运行功耗仅为主MCU的2％，从而极大地降低系统功耗。
结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述主MCU包括：AHB总线矩阵，所述AHB总线矩阵分别与外设桥、CRC校验模块、硬件算法加速引擎模块、ADC数模转换器、掉电记忆存储器、系统数据存储器、ARM M4处理器和加密Flash存储器电连接。
结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述外设桥通过数据总线分别与系统外设、通信接口、定时器看门狗、RTC万年历接口、LCD驱动接口、I/O接口和DAC接口电连接。
结合第一方面，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述值班MCU包括：控制器，与所述控制器电连接的数据存储器、运算器、程序存储器、SPI接口、程序计数器和节拍单元电连接，所述程序计数器与所述运算器通信连接。
结合第一方面第三种可能的实现方式，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述运算器包括：算数逻辑单元，与所述算数逻辑单元通信连接的累加器、数据寄存器和标志寄存器。
结合第一方面，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述超声波测量单元的信号接收端与超声波探头电连接，所述超声波探头设置有多个，所述超声波探头用于检测流体流动。
结合第一方面，在第一方面第六种可能的实现方式中，所述时钟管理单元与晶振模块电连接，所述晶振模块包括第一晶振和第二晶振。
结合第一方面，在第一方面第七种可能的实现方式中，还包括电源管理单元，所述电源管理单元分别与所述超声波测量单元、主MCU、值班MCU和时钟管理单元电连接。
结合第一方面第七种可能的实现方式，在第一方面第八种可能的实现方式中，所述户用三表低功耗超声波计量芯片还包括液晶驱动模块，所述液晶驱动模块分别与外接LCD和所述电源管理单元电连接。
第二方面，本申请实施例提供了一种低功耗控制方法，采用第一方面或第一方面任一可能实现方式所述的低功耗计量表芯片，所述方法包括：主MCU通过超声波测量单元对流体状态进行获取；当超声波测量单元检测到流体流速为0时，所述主MCU通过复位线启动值班MCU工作，所述主MCU进入休眠状态；所述值班MCU继续通过所述超声波测量单元对流体状态进行监测；如果流体流速出现扰动，所述值班MCU通过中断线结束所述主MCU休眠状态，同时值班MCU进入休眠状态。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种低功耗计量表芯片的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的主MCU的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的值班MCU的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的运算器的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的相位差法测量原理图；
图6为本申请实施例提供的一种低功耗控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本方案进行阐述。
图1为本申请实施例提供的一种低功耗计量表芯片的结构示意图，参见图1，本申请实施例提供的户用三表低功耗超声波计量芯片包括：超声波测量单元、主MCU、值班MCU和时钟管理单元，所述值班MCU工作功率小于所述主MCU工作功率，其中：所述主MCU与所述值班MCU通信连接，所述主MCU和所述值班MCU的信号检测端均与所述超声波测量单元电连接，所述时钟管理单元分别与所述超声波测量单元、主MCU和值班MCU电连接。
本申请实施例采用了一种简单方便的交互机制，主MCU与值班MCU之间采用复位、中断机制，主MCU与超声波测量单元之间采用SPI通信方式。值班MCU与超声波测量单元亦采用SPI方式通信。
正常工作期间主MCU承担全部计算、显示、远程通信等工作，值班MCU处于掉电状态，一旦主MCU在一定时间段内发现流速为零，通过一根控制线开启值班MCU电源，启动值班MCU工作，值班MCU通过SPI接口控制超声波测量单元(UMU)监测流体是否流动,主MCU进入深度休眠状态。值班MCU进行流速监测，一旦发现流体开始流动，通过一根中断线发信号，使主MCU从深度休眠状态唤醒，开始工作。系统监测阶段的功耗不到运行功耗的百分之二。因此，可以用容量更小的供电电池，大大降低了系统成本及体积。
参见图2，所述主MCU包括：AHB总线矩阵，所述AHB总线矩阵分别与外设桥、CRC校验模块、硬件算法加速引擎模块、ADC数模转换器、掉电记忆存储器、系统数据存储器、ARM M4处理器和加密Flash存储器电连接。所述外设桥通过数据总线分别与系统外设、通信接口、定时器看门狗、RTC万年历接口、LCD驱动接口、I/O接口和DAC接口电连接。
参见图3，值班MCU采用一种最简4位机，所述值班MCU包括：控制器，与所述控制器电连接的数据存储器、运算器、程序存储器、SPI接口、程序计数器和节拍单元电连接，所述程序计数器与所述运算器通信连接。
值班MCU采用哈佛结构设计方法，即数据存储器与程序存储器空间分离，这样可以采取不同的数据总线宽度，数据存储器采用4位数据总线，程序存储器采用8位数据总线，这种方法可以同时存取程序和数据，加快运行速度。值班MCU程序存储器:1K X8位；数据存储器:512X4位。
因为值班MCU仅实现取数、输入、输出、顺流和逆流时间数据的比较等简单运算，仅需简单的8条指令，采用固定3位操作码字段，这种格式使控制器的设计非常简单，占用门数少。值班MCU的控制器采用组合逻辑设计方法，即根据实现各指令功能所需控制命令的相应逻辑条件及时序，组成各个控制命令的逻辑表达式，然后，由各种不同的逻辑电路来实现。因为值班MCU程序存储器:1K X8位，程序计数器为10位。为便于顺流和逆流时间数据的比较运算，设计两个8位基地址寄存器，可分别指向数据存储器的顺流时间区和逆流时间区，便于存取数据，进行比较操作，基地址寄存器具有设置初值和自动加1的功能，以便于程序设计。
参见图4，所述运算器包括：算术逻辑单元，与所述算术逻辑单元通信连接的累加器、数据寄存器和标志寄存器。
所述累加器为4位累加器，数据寄存器为4位数据寄存器、标志寄存器为4位标志寄存器。值班MCU由主MCU启动，当主MCU在一段时间内发现顺流和逆流时间数据相等，即流体静止，即刻启动值班MCU运行，主MCU进入深度休眠模式。值班MCU被启动后，开始读取顺流和逆流时间数据，并从高4位开始比较，如果比较结果相等，即流体处于静止状态。一旦发现顺流和逆流时间数据有较明显差异，即可发中断信号，唤醒主MCU工作。
进一步参见图1，本申请中的所述超声波测量单元的信号接收端与超声波探头电连接，所述超声波探头设置有多个，所述超声波探头用于检测流体流动。
本实施例中超声波测量单元采用自主创新的相差测量方法，其特点在于自动进行相位差累计，相差法流量测量。超声波测量单元支持数据滤波。内部包含相位差测量单元、脉冲发生器、温度测量单元、比较器、模拟开关、施密特触发器、振幅监测单元、换能器断线检测单元等。脉冲发生器用于产生激励脉冲，以激励顺流和逆流超声波换能器。
针对于热量表领域，设计了一基于时间转换为数字(TDC)技术的高精度低功耗温度测量单元，该单元是通过对温度传感器电阻和精密电阻对电容充放电，TDC测量放电时间的方式来实现温度测量。温度测量单元用于热量表测量进水和回水温度差，以计量热耗；温度测量单元也用于燃气表进行温度补偿。
相差流量测量方法利用顺流方向和逆流方向回波信号的相位差来实现流速的测量。顺逆流的测量是先后进行的，因此不能直接得到两组回波的相位差，超声波流量测量单元(UMU)分别测量顺逆流回波信号相对于同一个内部参考信号的相位差，由外部MCU读取两个值并计算顺逆流的相位差。内部参考信号为1MHz，占空比75％的方波，与FIRE脉冲同步。回波信号经过比较器整形为方波，该比较器为斩波比较器，每次测量前都会自动校准，保证OFFSET在1mV范围内。回波信号和内部参考信号进入鉴相器，输出相位差脉冲，相位差是回波的上升沿到参考信号的下降沿之间的时间，如果回波信号上升沿超前于参考信号下降沿(落在参考信号高电平区间)，则相位差为正值，否则(落在参考信号低电平期间)为负值，超声波流量测量单元测得的相位差脉冲的宽度范围为(-250ns,750ns)。
相位差法的测量原理见附图5，对相位差脉宽的测量是通过高分辨率的TDC(单精度64ps，双精度32ps)进行的，TDC可以连续测量多达31个相位差脉冲的宽度，ALU对这些宽度的值进行累加积分，进行校准并将结果存放在寄存器中，一次顺流和逆流相位差测量完成后，外部MCU读出两次相差值，计算得到顺流和逆流的时间差。
本实施例中所述时钟管理单元与晶振模块电连接，所述晶振模块包括第一晶振和第二晶振。芯片平均功耗与系统工作频率成正比，为了降低功耗，系统采用了多套时钟的分区分时时钟管理技术。外接两种晶体：第一晶振为4MHz～32MHz外部高速晶体，第二晶振为32.768KHz外部低速晶体。
本申请实施例提供的低功耗计量表芯片还包括电源管理单元和液晶驱动模块，所述电源管理单元分别与所述超声波测量单元、主MCU、值班MCU和时钟管理单元电连接。所述液晶驱动模块分别与外接LCD和所述电源管理单元电连接。
由上述实施例可知，本实施例提供了一种低功耗计量表芯片，通过超声波测量单元对流体状态进行获取，当检测到流体流速为0时，主MCU进入休眠状态，值班MCU工作继续通过超声波测量单元对流体状态进行监测。如果流体流速出现扰动，值班MCU结束主MCU休眠状态，同时值班MCU进入休眠状态。由于值班MCU工作功率小于主MCU的工作功率，因此在计量表不进行计量工作时，采用值班MCU实现了计量表的低功耗。
与上述实施例提供的一种低功耗计量表芯片相对应，本申请还提供了一种低功耗控制方法的实施例，参见图6，所述方法包括：
S101，主MCU通过超声波测量单元对流体状态进行获取。
S102，当超声波测量单元检测到流体流速为0时，所述主MCU通过复位线启动值班MCU工作，所述主MCU进入休眠状态。
S103，所述值班MCU继续通过所述超声波测量单元对流体状态进行监测。
S104，如果流体流速出现扰动，所述值班MCU通过中断线结束所述主MCU休眠状态，同时值班MCU进入休眠状态。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本申请未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本申请的技术方案并非是对本申请的限制，如来替代，本申请仅结合并参照优选的实施方式进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本申请的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本申请的宗旨，也应属于本申请的权利要求保护范围。
Claims (10)
1.一种户用三表低功耗超声波计量芯片，其特征在于，包括：超声波测量单元、主MCU、值班MCU和时钟管理单元，所述值班MCU的运行功耗为主MCU的1-2％，其中：所述主MCU与所述值班MCU通信连接，所述主MCU和所述值班MCU的信号检测端均与所述超声波测量单元电连接，所述时钟管理单元分别与所述超声波测量单元、主MCU和值班MCU电连接。
2.根据权利要求1所述的户用三表低功耗超声波计量芯片，其特征在于，所述主MCU包括：AHB总线矩阵，所述AHB总线矩阵分别与外设桥、CRC校验模块、硬件算法加速引擎模块、ADC数模转换器、掉电记忆存储器、系统数据存储器、ARM M4内核和加密Flash存储器电连接。
3.根据权利要求2所述的户用三表低功耗超声波计量芯片，其特征在于，所述外设桥通过数据总线分别与系统外设、通信接口、定时器看门狗、RTC万年历接口、LCD驱动接口、I/O接口和DAC接口电连接。
4.根据权利要求1所述的户用三表低功耗超声波计量芯片，其特征在于，所述值班MCU包括：控制器，与所述控制器电连接的数据存储器、运算器、程序存储器、SPI接口、程序计数器和节拍单元电连接，所述程序计数器与所述运算器通信连接。
5.根据权利要求4所述的户用三表低功耗超声波计量芯片，其特征在于，所述运算器包括：算数逻辑单元，与所述算数逻辑单元通信连接的累加器、数据寄存器和标志寄存器。
6.根据权利要求1所述的户用三表低功耗超声波计量芯片，其特征在于，所述超声波测量单元的信号接收端与超声波探头电连接，所述超声波探头设置有多个，所述超声波探头用于检测流体流动。
7.根据权利要求1所述的户用三表低功耗超声波计量芯片，其特征在于，所述时钟管理单元与晶振模块电连接，所述晶振模块包括第一晶振和第二晶振。
8.根据权利要求1所述的户用三表低功耗超声波计量芯片，其特征在于，还包括电源管理单元，所述电源管理单元分别与所述超声波测量单元、主MCU、值班MCU和时钟管理单元电连接。
9.根据权利要求8所述的户用三表低功耗超声波计量芯片，其特征在于，还包括液晶驱动模块，所述液晶驱动模块分别与外接LCD和所述电源管理单元电连接。
10.一种低功耗控制方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的户用三表低功耗超声波计量芯片，所述方法包括：
主MCU通过超声波测量单元对流体状态进行获取；
当超声波测量单元检测到流体流速为0时，所述主MCU启动值班MCU工作，所述主MCU进入休眠状态；
所述值班MCU继续通过所述超声波测量单元对流体状态进行监测；
如果流体流速出现扰动，所述值班MCU通过中断线结束所述主MCU休眠状态，同时值班MCU进入休眠状态。
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