水表智能化需求加速,TI推出超声波单芯片测量芯片

2017-10-20 01:58:07来源: EEWORLD 关键字:MSP430  超声波

“美国有80%的水务公司已经开始投入或者计划更新水务计量基础设施,从而提高运营效率和减少管网水损失,在中国TI也看到有同样的趋势。”德州仪器中国区MSP微控制器业务拓展经理刁勇表示。根据资料显示,2015年我国水表产量7000万台,其中智能水表1500万台,出口水表约1000万台。

 

刁勇解释道,目前整个水测量系统和计量系统不完整或准确度不高,导致从自来水公司出来再分布到各个用户的家庭水损失非常高,达到了30%,其中很大一部分的原因是水表计量的问题造成的,所以把水表做得更精致、更智能化是水务公司的迫切需求。

 

根据市场分析显示,智能水表的市场规模将从2016年的26亿美金规模增长到2025年的72亿美金规模。

 

而根据国内报告总结分析,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。

 

目前,围绕水表智能化无外乎两方面改造,一方面是水表本身从机械水表向电子读数水表方向演进,包括超声波水表,无磁水表等等,另外一方面就是为水表增加通讯模块,使远程抄表监控管理等更简便易行。

 

刁勇表示,自来水公司对新产品的需求主要有以下几方面:

 

首先是对于提高水测量精度有一定要求,超声波测量水的计量方式有非常明显的优势,可达±1%的精度。特别是在小流量的情况下,传统机械表可能已经没有办法计量,但超声波的计量方式依然可以工作,这可以有效解决管网不准确所带来的损失。

 

第二是对寿命有要求,和传统机械表相比,超声波是全电子的水表,里面没有机械叶轮,不存在磨损,因此寿命非常长,这就意味着维护成本很低。因此尽管超声波水表产品成本高,但综合考虑到全周期内的话,运维成本会降低。

 

第三,自来水公司对水质水成分需要进行检测,超声波可以给水务公司更多的信息,使得其随时监控水的质量。

 

第四,需要更可靠的产品,而超声波或者无磁水表具有抗震动、抗辐射、抗红外、扛电磁干扰等特点。

 

第五,就是对改造的需求,和电网公司不同,目前水务公司都是一些本地化公司,部分实力不足的厂家希望对现有的独立式水表上通过改造实现无线通信系统即可,这样对于成本的开销不会太大。

 

第六,是对设计开发的需求,国内不光水务公司众多,水表生产厂家同样众多,他们对于部分新技术的掌握程度不足,因此需要能够快速上手评估开发的产品。

 

TI MSP430FR6047是业界首款严格意义上的超声波水表测量SoC

 

日前,TI推出全新的基于MSP430FR6047的超声波SoC以及全新的通信功能的参考设计,可以满足水务公司和表计公司对于智能抄表系统升级的需求。

 

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,目前超声波测量其实有很成熟的算法,难度不是太大,但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,需要再外挂MCU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。超声波水测量主要是测量上下行时间差,这个飞行时间的精度决定了超声波水表的精度,MSP430FR6047的超声波模拟前端ADC达到了8MHz,飞行时间精度可以到25ps,而绝对精度达到了5 ps,可以检测到每小时一升的滴漏情况。

 

这一切的优势都是来自于TI的硬件设计,如图所示

 

    


          MSP430FR6047结构框图

 

MSP430FR6047包含了一个超声波传感测量模块(USS),该模块里面集成超声波传感器接口,可以和换能器直接相连。模块内部还集成可编程脉冲发生器,可以产生不同频率的超声波。客户在用设计中心的时候可以选择不同的频率去跟换能器匹配。

 

另外,芯片内部还有另外一个重要模块——低功耗加速器(LEA),具有DSP功能,专为超声波测量进行算法计算,并可独立于单片机进行运算。刁勇表示,如果现在用普通MCU,理论上来说也能做到,但是功耗会非常高。“通过我们的评估显示,在超声波测量方面,LEA比Cortex-M0处理器的速度快40倍。”

 

MSP430FR6047采用铁电存储器,在目前MSP430系列中拥有最大存储空间,铁电存储器保证了数据存储读取的安全性、低功耗以及长期可靠性。同时还具有相当丰富的通信接口,可以支持43UART、4个SPI、4个I/C。此外,也包含部分安全功能模块,包括AES 256加密,CRC校验的模块,还有随机数发生器。其他的外设还包括LCD驱动器,12位200K Hz采样率ADC、比较器和硬件倍增器。由于丰富的外设资源,除了测量之外,还可以满足表计的所有功能需求,包括通信、管理、显示、控制、阀门关断等等。

 

除了硬件优势之外,TI还提供了相应的软件和硬件开发工具,以加速客户的设计周期。超声波设计中心集成了客户所有的配置调试功能,该软件可以直接捕捉超声波波形,这样就可以通过比对波形,检测水质的成分。TI提供了一个基础超声波测量软件库,客户不用从头开发软件代码,只需要将超声波和换能器进行简单匹配配置,可以自动生成。

 

而在硬件开发工具上,TI直接提供了评估板,可以与水表进行连接后便可直接评估。该评估板预留BoosterPack接口,可扩展众多新功能板卡,包括温度测量或者无线通信等等。

 

    


          EVM430-FR6047开发评估板

 

刁勇说道:“MSP430FR6047是TI第一款超声波水表测量SoC,未来还会有一些针对不同流体甚至气体的超声波测量SoC推出。”

 

全新参考设计为表厂增加无线传感模块

 

TI推出的全新TIDesigns参考设计包括TIDA-01228低功率水流测量,带感应传感参考设计,以及TIDA-01531低功耗无线M-Bus通信模块参考设计。


TIDA-01228是使用SimpleLink CC1350无线MCU SCE核心的机械(或混 合)水表的感应(LC-)传感器旋转检测。SCE传感器控制引擎,是一个传感器控制模块,采用超小型12V P通道TI FemtoFET MOSFET,符合ISO4064-1:2014-11(1级)的测量精度要求。在3.6 V,12 Hz采样率(无流量)下,功率消耗3.7 μA ;在3.6V,64Hz采样率下,为19.6 μA。支持双频带1 GHz(无线M-Bus)和2.4 GHzBLE 无线通信模式,可用在无磁水表和气表等领域。

 

   


          TIDA-01228参考设计图例

 

TIDA-01531适用于CC1310的OMSv3.0.1兼容无线M-Bus堆栈;作为数据采集器支持16种水表列表;可带或不带外部主机MCU;符合EN13757-4 HT级传输功率,和对S- 、 T-和C-模式的灵敏 度和选择性的HR 要求;休眠模式下功耗为0.7 μA @ 3.6V。可应用领域除了气表、水表和热量计或热成本分配器外,还可应用于 智能电表和数据采集器的RF模块。

 

 


          TIDA-01531参考设计图例


关键字:MSP430  超声波

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/article_2017102011027.html
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