【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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小班学生 Lv7. 资深专家 2021-09-02学习 -
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Z津津有味 Lv3. 高级工程师 2020-02-19666 -
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Rain Lv4. 资深工程师 2019-01-09学习
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