【应用】RL78/L12低功耗芯片与NB-IoT模块应用于低功耗带LCD联网型燃气表
随着工业4.0的推进,各种智能设备也得到越来越多的应用,具备联网功能的设备可以极大的提升设备使用的便捷性,与传统的燃气表相比,联网型的燃气表可以实现远程数据交互、远程反控等功能,本项目设计了一种基于RENESAS公司的RL78/L12 R5F10RLC型MCU、移远公司的BC28型NB-IOT模块联网型燃气表,具有远程数据监控、远程抄表、远程充值缴费、远程反控开/关阀门等功能。
传统的燃气表使用模式主要分为两类:一是IC卡预付款式燃气表,这种燃气表需要客户持IC卡到服务网点进行充值缴费,由网点把用户充值数据写入IC卡,用户完成充值缴费之后将IC卡插入燃气表,燃气表读取IC卡数据之后开始计费;二是后缴费式的燃气表,这种表需要抄表之后手持抄表单去服务网点缴费,这种表需要燃气公司派出抄表人员去抄表,存在低效率、漏抄、误抄等人为因素。因此本设计中的联网型燃气表旨在解决传统燃气表存在的弊端,采用结合IC卡预付款式燃气表,通过增加无线远传模块,实现充值缴费、抄表、阀门控制的无人化、远程化。
方案概述:
本燃气表由脉冲计量传感器、段码液晶屏、阀门电机、NB-IOT无线模块、电池、IC卡读卡接口、蜂鸣器组成,其中IC卡接口属于兼容传统燃气表的保留接口,与传统的燃气表的主要区别在于NB-IOT无线模块,本燃气表主要通过NB-IOT模块完成数据交互、远程控制等功能;具体的系统组成如下图1所示:
图1 联网型燃气表组成系统框图
器件选型:
本燃气表采用26500锂亚电池给燃气表供电(功率型:3.6V,持续放电电流可达1500mA,用于带NB-IOT的远传版本;容量型:3.6V,持续放电电流可达200mA,用于不带NB-IOT的单机版本),计量传感器采用脉冲输出型传感器,阀门电机则使用4.5V~6V供电的直流减速电机,蜂鸣器使用9mm有源蜂鸣器,IC卡读卡接口沿用传统IC卡读卡插槽,这些器件选型与传统的燃气表基本无异,这里不做太多说明。以下重点分析段码液晶屏、MCU、NB-IOT模组选型,这部分是本设计选型中需要重点考虑的器件。
由于本燃气表需要显示燃气表使用的气量、流量、价格等,显示的内容是固定的,同时在电池供电的燃气表中,显示屏的功耗就成了重点考虑的因素,因此段码液晶屏就成了首选,这种液晶屏每一段段码的驱动电流约3uA,功耗相对比较低,本燃气表设计定制开模的段码液晶屏显示的内容总计176段段码,分成8com*22段,显示界面示意图及设计3D图如下图2、图3所示:
图2 段码式液晶屏显示界面
图3 燃气表显示屏(&MCU)
确定显示方式之后,接下来的MCU选型就需要重点考虑,首先MCU需要具有低功耗特性,其次MCU最好可以直接驱动段码液晶屏,因此在综合这两个关键点之后,Renesas公司的RL78/L12系列MCU成为首选。
RL78/L12系列MCU具有以下特点:
· 内置高速晶振(CPU最高24MHz,精度为±1%)
· 独立低速晶振(15KHz)
· 内置硬件RTC
· 内置液晶驱动(4x39/8x35)
· 内置蜂鸣器驱动
· 内置1.45V参考电压
· 内置低电压检测
· 内置串行通信(UART、I2C、CSI)
· 宽电压工作(1.6V~5.5V)
· 0.92uA @ 32.768kHZ HALT模式,RTC、WDT、LCD工作
· ADC和串行接口可以在STOP模式下操作
因此综合RL78/L12系列MCU的特点,非常适合用于本设计的燃气表,考虑到本设计中需要驱动8x22段码液晶屏,这里我们选择RL78/L12 R5F10RLC型MCU,采用LQFP-64Pin(10x10)封装,RL78/L12系列芯片系统组成框图如下图4所示:
图4 RL78/L12系列芯片系统组成框图
在无线远传模块的选型中,需要考虑模块的传输距离、模块功耗、价格等因素,因此只能在主流的无线远传中进行选择,而NB-IOT目前在国内是一种比较主流的方式,且NB-IOT模块相较于GPRS模块、3G、4G模块,在成本、功耗等方面均有较大的优势,因此我们也选用主流的NB-IOT模块,这里我们选择移远(QUECTEL)公司出品的BC28模组,此模组就有以下特点:
· 超小体积:17.7mm x 15.8mm x 2.0mm
· 多频段NB-IOT:B1/B3/B5/B8/B20/B28*
· 宽电压供电:3.1V~4.2V,典型值3.6V
· 低休眠电流:5uA @ PSM
· 供电峰值电流:800mA
电路设计:
完成以上选型之后,我们需要把各部分综合起来,在供电电压方面,除了阀门电机需要4.5V~6V的供电电压之外,其余各部分电路均可以直接采用锂亚电池的3.6V直接供电,无线通讯模块作为选配器件,在这里的供电设计上加上BUCK-BOOST电路,以适应更多的供电电压;MCU、NB-IOT模组、蜂鸣器、IC卡读卡接口等电路可以直接使用对应数据手册中的参考电路,这里不再赘述。以下简述一些低功耗设计管理的电路,在供电电压方面,我们只需要加上一组升压电路用于给阀门电机供电既可,考虑到低功耗管理,除了MCU和NB-IOT供电之外,其它各部分的供电我们采用MOS管设计供电开关电路来做供电控制,常规工作状态下只给MCU和NB-IOT模组供电,在需要的时候再由MCU控制MOS供电开关电路来给其余的模块电路供电,这样本燃气表就可以把功耗做的非常低,非常有利于延长电池的续航时间。用于管理供电的MOS电路设计如下图5所示:
图5 MOS管供电开关电路
考虑到阀门电机只在需要的时候工作,因此这里我们直接选用国内比较常规的升压芯片硕芯的SX1308用于给阀门电机升压供电,SX1308可以实现最大2A的升压电流输出,完全满足本燃气表中阀门电机供电电流的需求,同时采用常用的NPN-PNP设计电机驱动电路,这里使用经典的MMBT5551 & MMBT5401的NPN-PNP三极管组合,升压电路及电机驱动电路如下图6、图7所示:
图6 升压电路
图7 阀门电机驱动电路
完成以上各部分电路设计之后,根据本燃气表分为单机版、远程版两种版本,因此在本设计中需要将PCB分成三部分设计,分别是“段码液晶屏+MCU”、“无线通讯模块”、“电机与供电管理” 三块板子,在生产过程中只需要根据出货版本要求进行组合安装即可,同时这种做法对于产品后期的迭代升级也比较方便,比如在有些没有NB-IOT网络覆盖的地方,可以很方便的将通讯模组更换成GPRS模组(如SIMCOM的SIM800C型GPRS模组),至此,完成本燃气表的整体设计剩下的就只有MCU的软件设计,对于软件设计,在实现传统IC卡预付费方式的读卡计费的基础上,加入无线远传功能,将燃气表的相关数据上传到远程控制中心,同时接收远程控制中心下发的开/关阀门等相关指令,具体软件细节这里不再做进一步的说明,以下附上本燃气表的通讯选配模块设计图如图8、图9所示:
图9 移远BC28型NB-IOT无线通讯模组
图9 可替换的其它通讯模组
可替换器件选型:
1、 本设计中的NB-IOT模组:如美格SLM150型模组
2、 SX1308型升压芯片:如SGMICRO(圣邦微)的SGM6603型
选型器件参考:
RL78/L12 R5F10RLC型MCU芯片选型参考:https://www.sekorm.com/doc/39239.html
SLM150型NB-IOT模组选型参考: https://www.sekorm.com/doc/388718.html
BC28型NB-IOT模组选型参考:https://www.sekorm.com/faq/64056.html
SGM6603选型参考:https://www.sekorm.com/doc/364154.html
MMBT5551型NPN三极管选型参考:https://www.sekorm.com/doc/948850.html
MMBT5401型PNP三极管选型参考:https://www.sekorm.com/doc/975276.html
AO3407型N-MOS选型参考:https://www.sekorm.com/doc/547944.html
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SGMICRO DC/DC转换器选型表包含包含同步整流降压转换器、AMOLED显示屏电源降压、非同步降压转换器升压、同步整流升压转换器、非同步升压转换器、电荷泵DC/DC转换器 、专用DC/DC转换器和LCM偏置电源;升降压、电荷泵供电,最大输入电压60V,最大开关电流10A,内置MOS。
产品型号
|
品类
|
CH
|
Enable
|
Vcc (Min)(V)
|
Vcc (Max)(V)
|
I_OUT(mA)
|
Frequency (kHz)
|
Iq (μA)
|
SHDN Iq(μA)
|
Package
|
SGM6010
|
DC/DC Synchronous Rectifier Buck Converters
|
1
|
L
|
3
|
5.5
|
3000
|
300 to 2000
|
0.41
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2
|
TDFN-3×3-10L
|
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