精準(zhǔn)超聲波感測(cè)+低功耗無(wú)線(xiàn)抄表 TI新方案讓水表更智能

德州儀器（TI）中國(guó)區(qū)MSP微控制器業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理刁勇告訴21ic記者，由于不適當(dāng)和不準(zhǔn)確的感測(cè)和測(cè)量，水務(wù)公司配送的供水損失高達(dá)30%，因此超過(guò)80%的美國(guó)供應(yīng)商已投資或計(jì)劃投資智能水基礎(chǔ)設(shè)施，以提高運(yùn)營(yíng)效率并減少水損失。據(jù)預(yù)測(cè)，全球智能水網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的營(yíng)收將從2016年的26億美元增長(zhǎng)到2025年的72億美元。

圖：TI中國(guó)區(qū)MSP微控制器業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理刁勇

為滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)水表更高計(jì)量精度要求，TI推出全新系列帶有集成超聲波感應(yīng)模擬前端的MSP430微控制器，提高智能水表的精度并降低其能耗。

為什么超聲波感測(cè)能提供更高的精度？我們先看看超聲波進(jìn)行流量計(jì)量的原理。下圖所示為簡(jiǎn)易的超聲波測(cè)量原理和一些常見(jiàn)的超聲波傳感器布置拓?fù)洹Ｓ糜诹髁繙y(cè)量的超聲波頻率范圍為100kHz至4MHz。使用一定頻率的電脈沖信號(hào)激發(fā)超聲波傳感器從而產(chǎn)生相應(yīng)頻率的超聲波，并使用同一聲波傳輸路徑從兩個(gè)對(duì)立的方向在不同時(shí)段發(fā)射聲波并測(cè)量聲波傳輸時(shí)間（記為上行傳輸時(shí)間和下行傳輸時(shí)間，TOF）。通過(guò)計(jì)算上下行傳輸時(shí)間的絕對(duì)時(shí)間差，進(jìn)而計(jì)算出實(shí)際流量。安裝在流管內(nèi)部或外部的一對(duì)或多對(duì)超聲波傳感器可以用來(lái)測(cè)量TOF。

圖：超聲波測(cè)量原理和常見(jiàn)的超聲波傳感器布置拓?fù)?/p>

很明顯，不同于傳統(tǒng)水表中采用的機(jī)械感測(cè)，超聲波水表不與被測(cè)液體接觸，不會(huì)發(fā)生例如介質(zhì)污染、污垢積聚以及部件的結(jié)垢和老化影響測(cè)量精度，導(dǎo)致傳感器結(jié)果不準(zhǔn)確，需要定期對(duì)流量計(jì)進(jìn)行重新校準(zhǔn)等問(wèn)題。

超聲波水表的TOF測(cè)量精確度將直接影響流量計(jì)量的分辨率和精度。流量表行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)最常見(jiàn)的是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)4064、國(guó)際法制計(jì)量組織(OIML)R49和歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN)1434。TI MSP430FR6047 MCU系列使開(kāi)發(fā)人員能夠利用完整的波形捕獲功能和基于ADC的信號(hào)處理，達(dá)到符合上述標(biāo)準(zhǔn)的高水平精度要求，同時(shí)為流量計(jì)增加更多智能特性。

如下圖所示，MSP430FR6047集成了一個(gè)用于高級(jí)信號(hào)處理的低能量加速器模塊、256 KB的鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、LCD驅(qū)動(dòng)器和計(jì)量測(cè)試接口。刁勇表示，相較于競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品，這種技術(shù)可以更準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)量，零漂平均值為25皮秒或更低，標(biāo)準(zhǔn)差為32皮秒或更低，因此可以檢測(cè)到低于1升/小時(shí)的流速。此外，集成的MSP430FR6047器件可以將水表系統(tǒng)組件數(shù)量減少50%，功耗降低25%，在不為電池充電的情況下，水表能夠運(yùn)行10年或更長(zhǎng)時(shí)間。

圖：MSP430FR6047結(jié)構(gòu)框圖

刁勇告訴21ic記者，超聲波傳感器測(cè)量流體的介質(zhì)類(lèi)型其實(shí)不局限于液體。通常，待測(cè)流體為液體時(shí)使用頻率大于等于1MHz的超聲波傳感器，待測(cè)流體為氣體時(shí)使用頻率小于等于500kHz的超聲波傳感器。然而氣體測(cè)量對(duì)于超聲波計(jì)量是更大的挑戰(zhàn)。因?yàn)闅怏w密度是更小，超聲波信號(hào)在氣體里通過(guò)時(shí)衰減比在水中更大，所以外部還需要再加信號(hào)的放大。TI的下一代產(chǎn)品在信號(hào)的調(diào)理方面會(huì)做一些優(yōu)化。另外，MSP430FR6047的程序空間資源高達(dá)256KB。未來(lái)面向中低端水表，TI也會(huì)推出在程序空間略低的高性?xún)r(jià)比產(chǎn)品。

TI在滿(mǎn)足水表高精度需求的同時(shí)，也針對(duì)遠(yuǎn)程抄表推出兩款參考設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)更高效的水資源管理、準(zhǔn)確測(cè)量和及時(shí)計(jì)費(fèi)。

據(jù)刁勇介紹，一些水務(wù)公司，特別是小型水務(wù)公司，無(wú)法負(fù)擔(dān)對(duì)現(xiàn)有的水表進(jìn)行完全更換所需的巨大投入，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表，他們需要在現(xiàn)有水表基礎(chǔ)設(shè)施上增加一些通信的功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表或?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)水網(wǎng)運(yùn)行狀況。針對(duì)這一需求，TI提供兩個(gè)全新參考設(shè)計(jì)。

第一個(gè)參考設(shè)計(jì)TIDA-01228基于LC傳感器，也就是傳統(tǒng)無(wú)磁水表，采用單芯片SimpleLink雙頻帶CC1350無(wú)線(xiàn)MCU。在它的片上包含無(wú)線(xiàn)、MCU，還有被稱(chēng)作SCE的傳感器控制引擎，用來(lái)做傳感器控制的一個(gè)模塊。它可以實(shí)現(xiàn)無(wú)磁水表的計(jì)量，同時(shí)還支持2.4G和Sub-1GHz無(wú)線(xiàn)通信。CC1350無(wú)線(xiàn)MCU在測(cè)量水流量時(shí)僅消耗4uA電流，從而延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。設(shè)計(jì)人員可以利用參考設(shè)計(jì)的小尺寸特性，輕松改裝現(xiàn)有機(jī)械流量計(jì)，使水務(wù)公司能夠添加AMR功能，同時(shí)無(wú)需更換已安裝的儀表。

刁勇告訴記者，無(wú)線(xiàn)M-Bus是歐洲最為普遍的一種無(wú)線(xiàn)抄表方式，很多國(guó)家已經(jīng)采用，在歐洲也有專(zhuān)門(mén)針對(duì)M-Bus的標(biāo)準(zhǔn)。目前中國(guó)很多表廠也在考慮做M-Bus無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，主要面向出口歐洲市場(chǎng)或其他一些需要M-Bus的水廠。

TI的另一款新參考設(shè)計(jì)TIDA-01531是基于SimpleLink Sub-1 GHz CC1310無(wú)線(xiàn)MCU的超低功耗解決方案。低功耗無(wú)線(xiàn)M-Bus通信模塊參考設(shè)計(jì)采用TI的無(wú)線(xiàn)M-Bus軟件堆棧，并支持868 MHz頻段內(nèi)的所有無(wú)線(xiàn)M-Bus操作模式。

除了最新推出的新產(chǎn)品和參考方案之外，TI為智能水表應(yīng)用提供非常完整的產(chǎn)品方案。一個(gè)完整的智能水表包含很多子系統(tǒng)，前端的傳感測(cè)量子系統(tǒng)有多種測(cè)量方式，包括超聲波、LC作為傳感器以及磁性元器件的傳感器等。此外還有電源系統(tǒng)以及一些開(kāi)蓋的檢測(cè)，以及各種有線(xiàn)無(wú)線(xiàn)的通信系統(tǒng)。對(duì)智能水表感興趣的工程師可以訪(fǎng)問(wèn)TI.com/flowmeter-pr，查找到TI主推的設(shè)計(jì)方案和全新器件，為下一代水表設(shè)計(jì)帶來(lái)更多智能特性。