基于三維矩陣光電讀碼電路的低功耗水表設計與實現

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

隨著城市規模不斷擴大和人口大量集中，機械水表在供水管理方面也越來越不能適應社會發展，出現了許多弊端，同時伴隨著微電子技術的快速發展以及國家相關政策的推動，水表的智能化將是一個必然的發展趨勢[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、實時掌握用戶用水情況，也可在技術上為節約用水、合理用水創造條件[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[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，隨時通過Mbus兩線載波原理將讀取到水表的示數傳給集中采集器，以取代人工現場讀取計算和分析，從而提高效率[5]。

光電直讀水表作為智能水表一種，實際應用中多達500臺以上甚至上千臺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計出文檔的產品[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計方案，它采用STM8L051超低功耗單片機為控制核心的分離式Mbus通訊電路設計構思，有效解決了光電直讀水表功耗高和長期穩定性得不到保障問題，使智能水表小型化。實驗數據表明，依據本文方案設計的光電直讀智能水表通訊穩定，功耗低，采集效率高，長效工作穩定可靠。

1 光電直讀水表原理

光電直讀智能水表由表殼、轉動葉輪、齒輪計數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。

光電直讀智能水表采用微電子技術，它不需人工操作，通過電子方式判斷紅外收發光電對管是否穿過碼盤預留孔位，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前用水示數，并將水表示數傳給集中器，實現直讀目的。讀表時總線瞬時載波供電，在不影響正常水表機械讀數情況下，通過二總線(MBUS)將數據回傳給集中器，由集中器判斷區間用水量。為確保集中器抄表穩定可靠，每只水表地址唯一，集中器以電壓脈沖方式下發讀取指令，水表以拉電流方式回復水表示數，水表間互不干擾，通訊穩定可靠[8-10]。

2 系統硬件設計

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計關鍵技術之一。

圖1 光電直讀水表原理框圖

2.1 低功耗微控電路

基于單片機控制電路是智能水表的控制核心，負責對碼盤判斷和解析集中器讀表指令。選用的STM8L051是一款性價比很高的超低功耗單片機，8 KB Flash滿足程序空間要求，256 byte EEP可存儲水表地址等關鍵參數，單片機最低運行功耗能達到5.1 μA，內部時鐘能擴頻到16 MHz，多達40個外部中斷源和5 μs快速喚醒時間滿足低功耗設計要求，TTSOP20封裝尺寸體積僅5.5 mm*5.5 mm，節省了設計空間[5]。設計中除電源和復位管腳外均配置為IO，系統使用內部16 MHz和32.768 kHz晶體在低功耗和通訊時使用，內部晶體溫漂小于5%，本文設計通訊波特率為2400 bps，溫漂滿足設計要求[6]。

圖2 低功耗微控電路

另外考慮到水表長期穩定工作和單片機的灌電流能力，而未直接使用單片機IO驅動紅外對管，需要用三極管驅動處理。

VCC端通過三極管后，給紅外接收和發射公共端提供電源，考慮到單片機上電復位后一般是高電平，以防誤動作，故而選擇PNP三極管。紅外對管收發距離設計在7.5～10 mm之間，電流約1.5 mA，紅外發射管壓降為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，接收到信號導通，不接受信號狀態未定，增加下拉電阻，一般選擇100 kΩ，此時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個圓形碼盤，每個碼盤上刻有0～9，水流時齒輪帶動碼盤轉動，能顯示0000～9999，碼盤的徑向有大小不同3個孔位，碼盤兩側分別接收側立板和發送側立板，側立板各有5組紅外發射管或紅外接收管，解析紅外發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個碼盤兩側設計有5組紅外對管，考慮到低功耗及電路優化，設計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通，同時給某一個紅外發射管電平信號，讓該紅外發射管導通，此時別的紅外發射管不允許導通，然后讀取與此紅外發射管對面的紅外接收管的狀態，判斷是否通過碼盤小孔，以此方式，讀取一個碼盤的5個紅外接收管狀態后，即可根據狀態編碼表判斷該碼盤所在的位置，以此判斷其他3個碼盤位置，將讀取數據由微控單元轉換成水表示數。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IO口實現了20對光電對管的控制，簡化了電路，提高了穩定性，并且每一塊側立板僅有接收管或發射管，電路板復用效率高。上述原理工作過程簡述如下：

1)第1通道導通，別的通道均關閉，即Q1導通，Qn不導通；

2)第一組發射管導通，別的發射管均關閉，即S1-1導通，別的均不導通；

3)掃描導通的紅外發射管對應的紅外接收管狀態，即讀取R1-1狀態；

4)如此循環，依次導通剩余四組對管，并掃描對應的接收管狀態，即循環依次導通S1-2讀取R1-2狀態，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)重復上述動作，依次導通剩余3通道，并讀取存儲對應碼值，即如上循環，Q2導通，其余Q不導通，重復上述步驟，完成4位碼盤所在位置信息，即將水表機械示數讀取出來。

三維矩陣電路優勢：

1)較少的IO口實現了較多IO才能實現的功能，減少體積和單片機資源；

2)驅動電流小，三維掃描方式，每次只需要1.5 mA電流；

3)抗干擾強，每次只開通一通道或1路發射，僅接收與發射管對應的接收管，強光或外界不受干擾；

4)運行邏輯簡單，僅僅需要開通某一通道，置位某一位，掃描對應位狀態即可；

5)PCB重復應用高，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，集中器發送的高電平DC24V，低電平DC12V信號，Mbus通訊電路將電平轉換后后給單片機，設計單壓差是10V左右，為使信號更穩定可靠，增加穩壓管鉗位，如果電壓低于20 V則認為是低電平，高于24+0.7 V認為是高電平，同時驅動三極管，接收到的信號與單片機TTL電平相位相反?？紤]到功耗和成本問題，本文設計未選用集成IC[11-12]。

水表接收到集中器信號后，將讀取到的水表示數以拉電流方式回復為集中器。通過DZ1瞬間將低電位鉗位，與Q2，Q3及電阻配合調制RXD信號。所述TXD發送調制轉換電路(圖5)通過R13，Q1，R14調整發送電流，Mbus設計回流在14～20mA之間。

回流計算公式：

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設計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定的電源，這種分離器件方式價格相對便宜，功耗低，體積小，轉換效率高，穩定可靠。

3 系統軟件設計

為保證基于三維矩陣智能水表準確讀取表盤示數并且能準確有效地與上一級設備數據交換(集中采集器讀表)，系統需在低功耗模式下運行，系統軟件在硬件配合情況下工作，水表嵌入式軟件包括系統軟件，三維矩陣讀碼軟件協調完成，并按照水表行業A188協議解析執行。以下分別介紹。

3.1 系統軟件工作過程

智能水表工作原理和它應用的遠程抄表系統可知，抄表系統面對眾多并聯的水表用戶，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[5]。總線上電每只水表接通電源，初始化水表內部參數，這些參數包括水表地址，內部eep，通訊參數，水表特征參數等等，如果參數錯誤，將提取上次讀表示數并終止讀表，等待集中器抄表時將上次數據和故障代碼一并上傳；如果參數正確，將按地址先后順序進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讀表負載壓力，此時將數據緩存后系統進入低功耗休眠狀態，直到有上一級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，為保證數據準確性，將兩次讀碼進行比較，不一致將再次讀取，三次不一致將放棄讀取，認為該地址水表有問題，上傳時將上次存儲的數據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議將讀取到的示值上傳集中器并進入深度休眠狀態，直到下一次集中器抄表喚醒。工作流程如圖6所示。

圖6 系統工作流程圖

3.2 三維矩陣讀碼設計

三維矩陣讀碼電路是智能水表的核心技術，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光或外紅光干擾，同時減少了布線空間，能實現緊湊型結構。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射位、并同時掃描接收位的三維矩陣協調完成工作。4位碼字依次由4通道控制，每位碼字兩邊對應的5對紅外接收、發射對管，并依次循環置位和掃描讀取這五組對管。工作流程如圖7，抄讀完4通道數據后，將數據緩存，等待系統控制或讀取。

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。但在實際應用過程中，考慮到紅外對管發射或接收傳感器失效或衰減問題。軟件設計中增加一種處理機制，通過單片機內部ADC轉換器讀出是否接收到信號。

圖7 三維矩陣讀碼軟件流程圖

4 實驗結果與分析

將文中提出的基于三維矩陣光電讀碼電路和分離式Mbus通訊電路設計的低功耗電路，應用在直飲智能光電直讀水表上，分別進行功耗實驗測試和長期穩定性測試。

4.1 系統功耗實驗測試

實驗目的：測試本文設計的光電直讀直飲智能水表運行功耗和總線帶載能力。

實驗方法：集中器讀取直飲水表計量數值，分別記錄不同狀態下電流情況。

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

測試設備：電壓表，電流表，示波器

數據記錄如表1所示。

表1 實測智能水表功耗數據記錄

從測試數據看，待機電流0.71 mA，集中采集器每通道最大接入127路，4通道512路負載計算，在回碼時，總電流也不大于110mA。若施工預留20%余量，總線理論可滿足4.5 km長度。

4.2 長期穩定性實驗測試

將基于三維矩陣電路的光電直讀智能水表模擬實際應用，在實驗平臺觀察長期穩定性。實驗按每10分鐘或每天讀取一次循環水讀表示值。實驗平臺及實驗數據如下。分別記錄了單只水表連續30天曲線圖和3只水表40余天曲線記錄。

圖8 實驗測試平臺

圖9 單只水表運行記錄

圖10 水表長期運行數據曲線記錄

5 結束語

基于三維矩陣光電讀碼電路的超低功耗水表設計，已批量應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年運行情況看，抄表數據準確率100%，單表運行功耗小于1.4 mA，最遠距離達到1400 m，現場每只集中器掛載450只水表以上，運行平穩無異常出現，基本解決了光電直讀水表低功耗問題和長期穩定性問題。

創新點，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用在光電直讀水表上，通訊距離更遠，減小了產品結構空間，長期穩定性更優。本文設計方案價格相對便宜，具有很好的應用前景和擴展優勢。