【成功案例】EFM32TG11低功耗32位MCU在工业仪表DTU设备中的应用

时间： 2019-06-12 来源：世强

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近期设计一款用于工业仪表的DTU设备，有别于传统的DTU设备，该设备是专用于与工业仪表配合使用，旨在实现快速的将不具备联网功能的工业仪表完成联网升级，将工业仪表的数据通过该DTU直接上传到云平台，同时接收云平台下发的相关数据指令，完成相关的功能操作。其构成框图如下：

图1 工业仪表DTU系统构成框图

如上图1所示，该DTU设备主要由采集部分（4-20mA、0-5V采集、开关量/频率量采集、RS485通讯、RS-232通讯）、电源管理、主控MCU、EEPROM、无线通讯（GPRS、WiFi）几部分组成；设备采用DC-24V和3.6V锂亚电池双供电电源方案（电池供电的时候按照低功耗模式运行），要实现这些功能，主控MCU就需要有较多的接口资源，同时考虑到电池供电时的低功耗管理，选型就比较关键。

因需要在工业仪表上应用，因此采集部分的电路均需要做信号和电源隔离，对于4-20mA和0-5V的采集，采用ADC芯片采集信号（I2C接口），然后采用隔离通讯芯片的方式将采集数据发送给主控MCU，而RS-485、RS-232则使用UART接口（采用隔离芯片对信号进行隔离），开关量/频率量则使用光耦进行隔离（开关量2个、频率量2个），无线通讯部分采用标配GPRS模组+选配WiFi模组的方式（均为UART接口），综上，选型的MCU中需要有5个UART接口，至少1组I2C接口，以及至少4个带定时器功能的IO接口，其它的一些辅助功能仅需要一些通用的IO接口即可，所选择的主控MCU就必须能满足以上接口要求；同时考虑到客户后期的功能升级需求，需要预留一定数量过得IO接口以备后期升级使用，这里选用SILICON LABS的EFM32TG11B120型芯片作为本DTU设备的主控MCU，并使用QFP64封装的芯片，该系列芯片内部系统框图如下图2所示。

图2 EFM32TG11系列芯片系统构成框图

EFM32TG11B120型芯片采用ARM Cortex-M0+内核，主频48MHz，节能模式功耗为37uA/MHz，EM2睡眠电流低至1.3uA/MHz，具有1路低能耗UART接口（UART0）、4组USART接口（UASRT0、USART1、UASRT2、USART3），还有两组I2C接口（I2C0、I2C1），IO引脚可配置为推挽、开漏、上拉/下拉等功能，且IO引脚具备5V容差性能，该芯片所具有的这些通讯接口已经可以满足本DTU设备所需要的资源要求；确定型号之后，接下来就需要按照芯片手册完成设备所需功能的引脚分配，按照芯片引脚定义说明，这里把芯片具有的UART、USART、I2C接口全引出，引脚分配如下图3所示（绿色框为UART、USART接口，蓝色框为I2C接口）,考虑到程序调试及客户后续生产测试，这里的程序调试及下载接口选用SWD接口。

图3 EFM32TG11B120在本设计中引脚分配示意图

根据外设通讯特性，这里将USART0划分用于GPRS通讯，USART1和USART2用于两组RS-485接口，USART3则用于WiFi模组（选配），而不常用的RS-232接口则使用UART0接口，这样就完成了本DTU设备的主要数据单元之间的接口划分；而对于4-20mA、0-5V信号的采集，则采用专用的ADC芯片+通讯隔离的方案实现，而在本应用中，因这两种信号采集并不需要较高的采样速度，因此这里选用I2C接口的通讯的ADC芯片，并将主控的I2C0接口作为这里的专用接口，然后使用专用的I2C隔离芯片完成ADC芯片与主控MCU之间的通讯隔离，而4个开关量/频率量采集接口则使用光耦隔离的方式，并使用主控MCU的TIM1_CC0~CC3接口完成连接，主要电路设计如下图4所示。

图4 DTU设备主控芯片部分电路原理图

考虑到本DTU设备采用DC-24V和3.6V锂亚电池双供电的方式，在电池供电的时候需要做低功耗管理，对于DC-24V供电时则先通过DC-DC芯片完成24V到5V的转换，然后该5V再经过LDO芯片（这里选用圣邦微的SGM2019-3.3芯片）实现主控系统供电所需的3.3V电源转换，而对于电池供电来说则将电池的3.6V通过LDO芯片转换成3.3V给系统供电；因本DTU设备并不需要支持电源热切换，因此这里采用一颗比较器芯片来检测DC-24V输入，在有DC-24V的情况下直接通过继电器切断3.6V锂亚电池的供电，这样实现电池的最低非工作状态消耗，其供电路径管理电路如下图5所示，至此完成主控芯片外围电路和供电的电路设计。

图5 电源输入路径管理电路

对于低功耗管理而言，这里采用MCU来控制MOS管的方式完成“断地”（断开对应的外设电路与系统整体的GND连接），外设供电主要有GPRS模组供电、隔离电源模块供电（用于给RS-485电路、RS-232电路、4-20mA/0-5V采集电路供电）、开关量/频率量供电几部分组成，其供电控制设计图如下图6所示。

图6 DTU设备外设电路供电控制

至于其它各部分具体外设，诸如RS485、RS-232、4-20mA、0-5V、开关量/频率量采集电路，限于篇幅这里不再做进一步说明。

选型器件参考：

EFM32TG11xx芯片数据手册参考：https://www.sekorm.com/doc/1037016.html

EFM32TG11xx芯片数据手册参考（中文）：https://www.sekorm.com/doc/1315739.html

SGM2019-3.3型LDO芯片选型参考：https://www.sekorm.com/doc/41588.html

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