基于Energymicro公司的32位Cortex-M3内核的超低功耗微控制器EFM32与ACAM公司的高集成度TDC-GP21芯片推出的超声波热量表方案，能够充分发挥EFM32的超低功耗与高运算能力的特点及GP21高精度的测量能力，它将成为超声波热量表方案中的最优之选。

主控及显示部分

　　超声波主控MCU采用EFM32TG840F32，它是基于ARM公司的32位Cortex-M3内核设计而来，对比于传统的8位、16位单片机，它具有更高的运算和数据处理能力，更高的代码密度，更低的功耗。实际数据显示，EFM32TG840在执行 32位乘法运算仅需4个内核时钟周期，32位除法运算仅需8个内核时钟周期，而相应热表上运用的16位单片机却分别需要50和465个时钟周期。而恰恰在时间数据转换芯片TDC-GP21上采集得到的数据均是32位长度，因此在运算和热量计算时均是32位的数据运算。

　　EFM32TG840 具有EM0-EM4共5种低功耗模式。在EM2的低功耗模式下，微控制器仍可实现RTC运行，LEUART、LETIMER及LESENSE的通信或控制功能，而功耗仅需900你A。而且它具有灵活的唤醒方式和自主工作的PRS系统，可以由外部I/O、I2C通信接口、LEUART通信信号等等方式唤醒。

　　EFM32TG840 集成了8&TImes;20段的LCD驱动器，满足直接驱动超声波热量表液晶屏的需求，而功耗仅为550nA。EFM32TG840的LCD驱动器内部集成电压升压功能和对比度调节功能，可实现在芯片内部VCMP电压比较器监控VDD电压，分等级开启LCD升压及对比度调节，达到LCD的现象效果良好，即使系统电池随着使用时间增加出现电压跌落现象。

　　图2 主控MCU及显示电路

　　EFM32TG840的I/O可以设置为低功耗模式唤醒及GPIO中断模式，因此外部操作按钮可以在低功耗条件下实现交互控制动作。

TDC-GP21超声波采集部分

　　TDC-GP21是德国ACAM公司在2011年11月底推出的新一代专门针对超声波热量表检测计量所用的数字时间转换器。TDC-GP21芯片采用QFN32封装，除了具备TDC-GP2的功能外，还额外集成了超声波热量表所需要的信号处理模拟部分，例如模拟开关以及低噪声斩波稳定（自动进行温度电压校正）模拟信号比较器。TDC-GP21温度部分集成了施密特触发器，可直接接上温度传感器和参考电阻，就可以进行高精度的测量，测量的性能远远超过热量表所需的要求。7x32bit的EEPROM单元，可用于存储热量表整表的ID信息及配置寄存器信息。

　　TDC-GP21需要两个供电电压，分别是核心电压VCC和I/O电压Vio，在本方案中采用了ACAM推荐的两个供电电压使用相同的电压源进行供电，并增加去耦双通道滤波电路以达到降低系统噪声的效果。其他部分电路例如换能器、PTC电阻的连接以及晶体的接法均采用原厂提供的官方参考电路进行搭建。在时钟方面TDC-GP21将输出32.768KHz时钟，为EFM32TG840F32提供低频时钟，可节省主控MCU的低频晶振。

MBUS通信部分

　　超声波热量表通过MBUS（Meter Bus）总线通信进行自动抄表。现场的热量表可通过MBUS将数据上传到集中器，然后由集中器或再上一级集中器将数据通过以太网或无线GPRS通信模块将数据传输的供暖中心的后台，进行计费及管理。本方案中采用TI公司的MBUS芯片为TSS721A。TSS721A是一种用于仪表总线的收发器集成芯片，其内含接口电路可以调节仪表总线结构中主从机之间的电平，同时该收发器可由总线供电，对从机不增加功率需求，总线可无极性连接。 TSS721A的连接电路如图4所示。

　　图4 TSS721A连接电路

红外通信部分

　　根据《CJ/T 188-2004》技术规范文档，超声波热量表红外通信采用38KHz的载波对通信数据进行调制且有效通信距离大于2m，选用波长为940nm的红外发射管与接收管。供热管理人员可以使用手持红外抄表设备对超声波热量表进行抄表。红外通信电路如图5所示。

　　图5 红外通信电路

　　以EFM32TG840为主控MCU，TDC-GP21为关键检测元器件而设计的超声波热量表，充分地发挥了EFM32TG840的高性能、低功耗、良好集成度的特点，结合了数字时间转换器TDC-GP21的高精度、低功耗的优势，使得它将成为供暖系统热计量部分的最佳选择。可见，采用EFM32TG840可以让超声波热量表有更好的运算性能，从而使得整机可以缩短处在运行计算状态状态，达到降低运行功耗的效果。

　　2μm 高功率激光医疗仪市场需求越来越大，而目人机交互模块前国内此类设备在控制上缺乏对系统安全和出光精准度的考虑。同时随着YY0505-2012 医用电气电磁兼容标准于2014 年的执行，设计符合YY0505-2012 标准的医用设备已迫在眉睫。因此，本文采用模块化设计，设计了一种基于STM32 的2μm光纤激光器医疗仪控制系统，将水冷单元的参数监控、电源模块的抗干扰设计、输出功率的校准等集成于一体。测试结果表明，系统可靠稳定，操作方便。

系统硬件结构

　　系统硬件以STM32F107VCT6 为核心，硬件框图如图2 所示。精密水冷单元的参数监控包括高低水位、水流量、水压力、水温的监测；以触摸屏为主的人机交互模块集成了出光指示灯、钥匙开关、急停、启动、脚踏、门控等外部硬件控制；配电模块集成了继电器驱动电路和电磁兼容设计。其中，水冷单元、光纤激光器、触摸屏和音效合成模块分别通过RS232 与主控制器通信。

　　图2 系统硬件框图

配电模块电路设计

　　为实现高可靠性，配电模块电路采用冗余设计，每路继电器驱动电路控制两个固态继电器。以图3 所示激光器的继电器驱动电路为例，U5、U6 代表两个继电器，输出端分别串联到电源的零线和火线上，实现同开同断，避免某一个继电器发生故障时影响整个系统的工作。每路信号除通过I/O 控制外，急停信号也对继电器可控，达到软件和硬件同时急停的目的。选用的急停按钮是常闭型，高电平有效，当急停触发时，Q3 不导通，致9 引脚电平拉低，再与I/O 信号经过与门，输出也为低电平，致Q4 不导通，继电器处于开路状态，电源断路。

　　另外，电路一方面在STOP 和I/O 信号接口处接入5V 瞬态抑制管，以防止静电积累损坏器件；另一方面在Q4 导通时D3 点亮作为电路工作状态指示，当系统出现异常时方便故障排查。

　　本文设计了一种基于2μm 高功率光纤激光器的医疗仪，以STM32 为控制核心，完成了人性化的人机触控界面功能设计、激光器的驱动控制、精密水冷单元的参数监控、配电模块的抗干扰设计以及输出功率的校准。输出功率0W 或4W~80W，步进长度1W 连续可调，可通过脚踏自由切换汽化和凝血两种功率参数输出；温度采集精度±0.5℃，水流量3.6L/min，符合IPG-TLR-80-WC-Y12 型号光纤激光器正常工作要求。经过功率校准算法，用户设置功率与终端采集功率的最大偏差由之前的63.6%降低到2.5%，控制精度为±1W.测试结果表明，该系统具有可靠性高、抗干扰能力强、输出功率稳定准确、操作便利等优点。