【应用】带流量计的电磁阀设计，可在远端实现流量实时监管和控制
无论是在石油的开采、计量及运输过程中，还是在工业民用供水的监测与控制中，对于流量都要求一定的精确计量和控制。传统的控制方式是采用电磁阀和流量计两个部件，如图1所示，新一代的流量控制系统，将流量计和电磁阀集成在一起，不但节约安装维护成本，而且集成通讯接口，可以在远端实现流量的实时监管和控制。
图1. 传统的流量控制系统示意图
IDT公司(RENESAS收购)针对带流量计的电磁阀推出一套设计方案，该方案不但可以精确的对流量进行计量，实施上报数据，而且实现了对电磁阀驱动电机的冗余监控（如图2所示，RX231、RX23T同时对电机的状态参量进行监控和管理），具有很高的安全性和可靠性。其系统原理如图2所示。
图2. 集成流量计的电磁阀系统原理框图
该方案分为电源单元、主MCU单元、电机控制单元、通讯单元、流量采集单元，本文重点介绍前4个单元。
电源单元
系统采用12/24V直流电压供电，该电压一部分接入电磁阀电机的驱动电路，一部分经过Buck转换器降压后提供给MCU单元、通讯单元。Buck转换器选择Renesas公司的宽输入1A同步降压稳压器ISL85410，该IC输入电压3~40V，开关频率可采用固定的500KHz，也可以在300KHz~2MHz调节；其连续输出电流高达1A；可通过改变电阻（与FB管脚相连，具体设置请参考数据表）大小实现输出电压的调节；内置低边侧、高边侧NMOS FETs，仅需几个外部器件即可构建成性能优异的转换器；其工作电压范围-40~＋125℃，适应于工业环境。
主MCU单元
主MCU复杂管理整个系统的运行，采集传感器数据，通过RS485与上位机通信，监控电机的运行，LCD显示，与电机控制MCU通信以交叉监控电机的安全运行，。该方案种选择Renesas公司的RX231高性能32位、低功耗MCU。该MCU采用32位RXv2 CPU内核、内置增强型DSP和FPU单元，具有很强的计算能力。工作频率最高可达54MHz, SRAM空间32~64KB，Flash存储空间高达128~512KB，8KB数据闪存。同时集成24个12-bit A/D转换器通道，并具有高达20个的扩展功能定时器，以及支持多种通信接口，其工作温度具有-40~＋85℃和-40~＋105℃两种规格可选，可在恶劣的工业环境中应用。
电机控制单元
该系统电机控制芯片选择Renesas公司的RX23T系列32位MCU，该芯片采用具有五级流水线的哈佛架构，主频最高可达40MHz，SRAM容量12KB，Flash存储空间高达64~128KB。该芯片内置32位单精度浮点单元FPU和增强型DSP单元，快速除法器（2 CPU时钟），快速中断等单元。该芯片具有针对电机控制优化设计的6个多功能脉冲定时器，其定时器工作频率高达40MHz，具有输入捕捉，输出比较，三相互补PWM输出，基于CPU-高效互补式脉宽调制，相位计算模式等功能，配合三个带有采样保持电路、比较器的12-bit A/D转换通道，非常适合电机控制类应用。该芯片工作电压2.7V~5.5V（推荐）,工作温度具有-40~＋85℃和-40~＋105℃两个版本，适应于工业环境。
通信单元
该部分RS485接口转换芯片采用Renesas的ISL32459E差分收发器，其RS485总线引脚可提供高达±60V的过压保护和±15KV HBM ESD防护能力，可在高达±20V的共模电压环境中可靠的工作，而且具有±80V的瞬态过压容限。该收发器传输速率最高可达20Mbps，工作电压3~5.5V，静态供电电流仅2.1mA,工作温度范围-40~＋85℃，满足工业温度等级要求。
对于需要将数据传递到云端或者以互联网方式进行监控的流量计电磁阀，IDT也给出了相应的方案，如图3所示。与图2的方案的区别是主MCU选用RX65N，该CPU采用RXv2 内核，具有大容量 RAM，并提供增强的安全性、连接功能和人机界面 (HMI) 功能，非常适合应用在要求安全性强的物联网中。主要特点包括：工作频率高达120MHz，最大2MB程序闪存，640KB SRAM，配置有TFT-LCD控制器和2D图形引擎，可减少LCD显示时CPU的负载。 并且具有以太网、USB、CAN等多种接口，有利于系统功能的扩展。在通讯安全方面，该CPU功能做了进一步的增加，包括：通过TSIP保护加密密钥，TSIP中集成AES、TDES、SHA和TRNG等加密硬件加速器，通过闪存区域保护功能保护启动代码。应用在流量控制系统中，可保证通讯的安全性和可靠性。
图3. 支持以太网通信的带流量计的电磁阀系统原理框图
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