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，家用水表通常是機械式的，容易出現(xiàn)磨損和不準確的情況。由于不適當和不準確的感測和測量，水務(wù)公司配送的供水損失高達30%，有超過80%的美國供應(yīng)商已投資或計劃投資智能水的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以提高運營率，并減少損失?？v觀全球智能水領(lǐng)域，其市場的營收將從2016年的26億美元增長到2025年的72億美元。市場份額擴大的背后，是新技術(shù)的力量在不斷推動。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。

為何用超聲波檢測水表？

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

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

用于流量測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對立的方向在不同時段發(fā)射聲波，并測量聲波傳輸時間(即上行傳輸時間和下行傳輸時間)。通過計算上下行傳輸時間的絕對時間差，進而計算出實際流量。

MSP430FR6047的集成模擬前端功能強勁

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

MSP430FR6047設(shè)計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)動器的集成PHY，控制輸入和輸出通道；輸出速率可高達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還集成了一個用于高級信號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，這個集成的LEA模塊就相當于DSP的性能，它的操作可以獨立于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的計量前端功能非常豐富，對于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的支持以及水費階梯計價的方式，這樣一顆獨立的MCU就能設(shè)計完成。在MSP430FR6047中，集成模塊——超聲波傳感器解決方案后續(xù)產(chǎn)品中，信號放大功能還將繼續(xù)提高，同時也會對FRAM的容量進行調(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

MSP430超聲波感應(yīng)設(shè)計中心提供一個全面的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，開發(fā)人員可利用它在幾個月內(nèi)讓產(chǎn)品上市。該設(shè)計中心提供快速開發(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)字信號處理(DSP)庫的評估模塊。無需額外的開發(fā)工具，即可對管道、流量等各種參數(shù)進行評估。此外，這個開發(fā)工具可以對電源的性能進行優(yōu)化配置，達到低功耗目的。這樣便捷的開發(fā)生態(tài)環(huán)境的最終目標就是找到功耗和性能的最佳匹配點。

參考設(shè)計助你快速實現(xiàn)智能化

此次發(fā)布會上，TI還推出了具有感應(yīng)傳感能力的新型低功耗水流測量參考設(shè)計，它是一種緊湊的解決方案，用于對低功耗機械流量計進行電能測量，延長電池壽命。由單芯片SimpleLink雙頻帶CC1350無線MCU啟用，該參考設(shè)計還能夠使設(shè)計人員為AMR網(wǎng)絡(luò)添加雙頻無線通信。設(shè)計人員可以利用參考設(shè)計的小尺寸特性，輕松改裝現(xiàn)有機械流量計，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在測量水流量時僅消耗4 μA電流，從而延長產(chǎn)品的使用壽命。

另一個新型參考設(shè)計是基于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)計可提供一流的功耗和靈活性，支持跨多個地區(qū)的無線M-Bus部署。