TI新型超聲波感應(yīng)MCU讓水表更智能

本刊記者楊迪娜

日常生活中，家用水表通常是機(jī)械式的，容易出現(xiàn)磨損和不準(zhǔn)確的情況。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%，有超過80%的美國供應(yīng)商已投資或計(jì)劃投資智能水的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以提高運(yùn)營率，并減少損失。縱觀全球智能水領(lǐng)域，其市場(chǎng)的營收將從2016年的26億美元增長(zhǎng)到2025年的72億美元。市場(chǎng)份額擴(kuò)大的背后，是新技術(shù)的力量在不斷推動(dòng)。近日，TI公司推出新型超聲波傳感微控制器，助力智能水表的快速發(fā)展。

為何用超聲波檢測(cè)水表？

傳統(tǒng)的流量計(jì)設(shè)計(jì)中使用的都是機(jī)械感測(cè)，捕獲葉輪的運(yùn)動(dòng)并轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)提供給測(cè)量單元，存在的問題是，這些儀表的壽命較短，無法檢測(cè)到低流量或小泄露，并且，介質(zhì)污染、部件的老化都會(huì)影響到測(cè)量精度。

而超聲波計(jì)量方式的工作范圍很寬泛，沒有活動(dòng)部件的磨損，成本低、需要的維護(hù)少，具有高精度測(cè)量(可達(dá)到<±1%)，使用壽命>10年。不僅如此，還可以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)成分的檢測(cè)、抗震動(dòng)、防EMI功能，通信設(shè)置的添加更便捷。

用于流量測(cè)量的超聲波頻率范圍為100 kHz～4 MHz，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(即上行傳輸時(shí)間和下行傳輸時(shí)間)。通過計(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。

MSP430FR6047的集成模擬前端功能強(qiáng)勁

作為感應(yīng)和測(cè)量的超低功耗MSP430 MCU產(chǎn)品組合的一部分，新型MSP430FR6047 MCU可通過測(cè)量水流速度測(cè)出液體消耗流量，其差速飛行時(shí)間<25 ps,高精度測(cè)量時(shí)間分辨率<5 ps,因此可以檢測(cè)到低于1 L/小時(shí)的流速。

MSP430FR6047設(shè)計(jì)出色的地方就是它擁有集成了超聲波感應(yīng)解決方案的模擬前端，包括：以不同頻率產(chǎn)生脈沖的可編程脈沖發(fā)生器PPG；具有低阻抗輸出驅(qū)動(dòng)器的集成PHY，控制輸入和輸出通道；輸出速率可高達(dá)8 Msps的12位Sigma-Delta ADC;可編程增益放大器PGA,以及68～80 MHz的高性能PLL。

新型的MSP430FR6047還集成了一個(gè)用于高級(jí)信號(hào)處理的低能量加速器。據(jù)TI中國區(qū)MSP微控制器業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理刁勇先生介紹，這個(gè)集成的LEA模塊就相當(dāng)于DSP的性能，它的操作可以獨(dú)立于CPU，有4 KB的RAM與CPU共享，其速度是ARM Cortex-M0內(nèi)核的40倍，功耗非常低。

刁勇先生表示：帶有MSP430FR6047的計(jì)量前端功能非常豐富，對(duì)于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的支持以及水費(fèi)階梯計(jì)價(jià)的方式，這樣一顆獨(dú)立的MCU就能設(shè)計(jì)完成。在MSP430FR6047中，集成模塊——超聲波傳感器解決方案后續(xù)產(chǎn)品中，信號(hào)放大功能還將繼續(xù)提高，同時(shí)也會(huì)對(duì)FRAM的容量進(jìn)行調(diào)整。

開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)幫你找到功耗和性能最佳匹配點(diǎn)

MSP430超聲波感應(yīng)設(shè)計(jì)中心提供一個(gè)全面的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，開發(fā)人員可利用它在幾個(gè)月內(nèi)讓產(chǎn)品上市。該設(shè)計(jì)中心提供快速開發(fā)和靈活定制的工具，包括軟件庫、圖形用戶界面(GUI)、帶度量衡和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)庫的評(píng)估模塊。無需額外的開發(fā)工具，即可對(duì)管道、流量等各種參數(shù)進(jìn)行評(píng)估。此外，這個(gè)開發(fā)工具可以對(duì)電源的性能進(jìn)行優(yōu)化配置，達(dá)到低功耗目的。這樣便捷的開發(fā)生態(tài)環(huán)境的最終目標(biāo)就是找到功耗和性能的最佳匹配點(diǎn)。

參考設(shè)計(jì)助你快速實(shí)現(xiàn)智能化

此次發(fā)布會(huì)上，TI還推出了具有感應(yīng)傳感能力的新型低功耗水流測(cè)量參考設(shè)計(jì)，它是一種緊湊的解決方案，用于對(duì)低功耗機(jī)械流量計(jì)進(jìn)行電能測(cè)量，延長(zhǎng)電池壽命。由單芯片SimpleLink雙頻帶CC1350無線MCU啟用，該參考設(shè)計(jì)還能夠使設(shè)計(jì)人員為AMR網(wǎng)絡(luò)添加雙頻無線通信。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，而無需更換已安裝的儀表。CC1350無線MCU在測(cè)量水流量時(shí)僅消耗4 μA電流，從而延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。

另一個(gè)新型參考設(shè)計(jì)是基于SimpleLink Sub-1 GHz CC1310無線MCU的超低功耗解決方案，支持868 MHz頻段內(nèi)的所有無線M-Bus操作模式。該參考設(shè)計(jì)可提供一流的功耗和靈活性，支持跨多個(gè)地區(qū)的無線M-Bus部署。