超声波方案降临 TI的新SoC提速智能水表发展

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水表的智能化不是为了跟风,最大的益处在于减少供水损失。因不适当和不准确的感测和测量,水务公司配送的供水损失高达30%。因此,超过80%的美国供应商已投资或计划投资智能水基础设施,以提高运营效率并减少水损失。把水表做得更精致、更智能化是水务公司的迫切需求。

国内的情况也是如此,据相关报告分析,2016年之前智能水表产量一直以近20%的速度增长,预计“十三五”期间智能水表(含智能应用系统)销售收入占全部水表销售比例要达到40%,伴随着政策向好,智能水表的市场规模也将稳步提升,预计增速将达到28%,到2020年智能水表的渗透率将接近45%,年出货量4500万台。

智能化水表的关键在于一个精准的测量系统。近日,德州仪器公司推出了智能水表单芯片超声波感应微控制器以及解决方案,以帮助自来水厂实现水资源管理、准确测量和及时计费。

德州仪器中国区MSP微控制器业务拓展经理刁勇介绍,TI的解决方案采用的是超声波检测技术,相对于机械测量的优势在于,精度<±1%,无活动部件或磨损,延长设备使用寿命;成本比较低,所需要的服务和维护少;抗振动、红外辐射、EMI,可以轻松添加通信设备。 “相较于竞争对手的器件,这种技术可以更准确地进行测量,零漂平均值为25皮秒或更低,标准差为32皮秒或更低,因此可以检测到低于1升/小时的流速,这就相当于以前的滴漏损耗也可以计量。” 刁勇指出。

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德州仪器(TI)中国区MSP微控制器业务拓展经理 刁勇

超声波流量检测利用了TOF技术,使用一定频率的电脉冲信号激发超声波传感器从而产生相应频率的超声波,并使用同一声波传输路径从两个对立的方向在不同时段发射声波并测量声波传输时间。通过计算上下行传输时间的绝对时间差(TOF),进而计算出实际流量。安装在流管内部或外部的一对或多对超声波传感器可以用来测量TOF。

TI方案的核心是MSP430FR6047,基于低功耗MCU MSP430系列,具有可编程脉冲发生(PPG)功能,以不同频率产生脉冲;具有低阻抗输出驱动器的集成PHY,用于控制输入输出通道;高性能、高速12位Sigma-Delta ADC,输出数据速率高达8M MSPS;可编程增益放大器和高性能PPL。此外,还配备了计量测试接口、用于数字信号处理的低能量加速器(LEA)、优化的低功耗模式。

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此外,MSP430FR6047集成了一个用于高级信号处理的低能量加速器模块、256 KB的铁电随机存取存储器、LCD驱动器和计量测试接口。刁勇表示,相较于竞争产品,这种技术可以更准确地进行测量,零漂平均值为25皮秒或更低,标准差为32皮秒或更低,因此可以检测到低于1升/小时的流速。此外,集成的MSP430FR6047器件可以将水表系统组件数量减少50%,功耗降低25%,在不为电池充电的情况下,水表能够运行10年或更长时间。

“这颗产品实际上可以说是在水计量领域实现超声波测量的第一款真正意义上的SOC” ,刁勇表示。目前超声波水表普及率并不高,主要挑战在于首先是需要高精度的采集,其次是需要低功耗的信号处理算法,以及更强大的整体计算平台,而将这些集中到一个SoC中目前还没有厂商实现。

MSP430FR6047继承了MSP430家族优秀的低功耗DNA,每秒测量功耗仅为3μA,如果采用干簧管或者霍尔传感器等测量方案,再加上外部MCU资源,平均耗电水平为6μA左右。

智能水表的一大优点就是能自动抄表,TI为MSP430FR6047配备了两种方案:第一种由单芯片SimpleLink双频带CC1350无线MCU启用,该参考设计还能够使设计人员为AMR网络添加双频无线通信;第二种是基于SimpleLink Sub-1 GHz CC1310无线MCU的超低功耗解决方案。低功耗无线M-Bus通信模块参考设计采用TI的无线M-Bus软件堆栈,并支持868 MHz频段内的所有无线M-Bus操作模式。

除了硬件部分,TI的方案还配置了超声波感应软件和工具,采集到的数据传输到软件处理中心,电脑就可以自动完成水费计算,免去以前的人工抄表计算流程。

据报告显示,全球智能水网络市场的营收将从2016年的26亿美元增长到2025年的72亿美元,MSP430FR6047方案的推出,将会在现阶段助力该市场的快速发展。
 

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