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德州儀器推出超聲波智能方案助力水表精準智能

發布時間:2017/10/20 點擊量:

        德州儀器(以下簡稱"TI")近期推出了智能水表單芯片超聲波感應微控制器以及解決方案,以幫助自來水廠實現水資源管理、準確測量和及時計費。德州儀器中國區MSP微控制器業務拓展經理刁勇介紹,“MSP430FR6047 MCU系列使開發人員能夠利用完整的波形捕獲功能和基于模數轉換器(ADC)的信號處理,為流量計增加更多智能特性。”

 

采用超聲波檢測技術,測量更精準

        TI的解決方案采用的是超聲波檢測技術,相對于機械測量的優勢在于,精度<±1%,無活動部件或磨損,延長設備使用壽命;成本比較低,所需要的服務和維護少;抗振動、紅外輻射、EMI,可以輕松添加通信設備。從測量參數來看,刁勇分析,“相較于競爭對手的器件,這種技術可以更準確地進行測量,零漂平均值為25皮秒或更低,標準差為32皮秒或更低,因此可以檢測到低于1升/小時的流速,這就相當于以前的滴漏損耗也可以計量。”

 

 

       從集成度來看,MSP430FR6047器件集成了模擬前端—超聲波感應解決方案,包括可編程脈沖發生(PPG),以不同頻率產生脈沖;具有低阻抗輸出驅動器的集成PHY,用于控制輸入輸出通道;高性能、高速12位Sigma-Delta ADC,輸出數據速率高達8M MSPS;可編程增益放大器和高性能PPL。還配備了計量測試接口、用于數字信號處理的低能量加速器(LEA)、優化的低功耗模式。刁勇表示,“這些配置可以將水表系統組件數量減少50%,功耗降低25%,在不為電池充電的情況下,水表能夠運行10年或更長時間。”

 

支持無線傳輸,讓水表實現智能化

       由于一直采用機械水表,每個月需要自來水公司派專門的工作人員挨家挨戶查水表,計算以后再派發水費單,用戶才能到自來水公司或者銀行繳納水費,耗時耗力,而且準確性差。如果加上無線傳輸功能,水表能夠自動計費,以前的這一系列工作就會全部免除。TI的新型低功耗水流測量參考設計可以滿足這些需求,刁勇介紹,“我們的方案分為兩種:第一種由單芯片SimpleLink雙頻帶CC1350無線MCU啟用,該參考設計還能夠使設計人員為AMR網絡添加雙頻無線通信;第二種是基于SimpleLink Sub-1 GHz CC1310無線MCU的超低功耗解決方案。低功耗無線M-Bus通信模塊參考設計采用TI的無線M-Bus軟件堆棧,并支持868 MHz頻段內的所有無線M-Bus操作模式。中國采用的是前者無線標準,歐洲采用的是后者無線標準。”

 

        除了硬件部分,TI的方案還配置了超聲波感應軟件和工具,采集到的數據傳輸到軟件處理中心,電腦就可以自動完成水費計算,免去以前的人工抄表計算流程。當然,很多人可能會想到最近比較火的NB-IoT,TI的參考設計還未做支持,刁勇表示,“由于NB-IoT研發投入巨大,暫時還未納入考慮。”


模塊替代,幫助自來水廠節省資源

       有了元器件和開發模塊,怎樣對機械水表進行更新換代?如果把原有的機械水表全部廢棄,再換一套新的電子測量水表,這對自來水廠來說耗資巨大,因此很多地區選擇了對原有的設備進行局部改造。將超聲波傳感器安裝在流管內部或外部的一對或多對超聲波傳感器就可以用來測量TOF。一對超聲波換能器可以直接與MSP430FR6047 MCU集成的超聲波外設(USS)連接,USS使用高速8MSPS的Sigma-Delta ADC可以靈活的對每個傳感器進行獨立的激勵和響應捕獲。USS再將捕獲的波形采用多種數字信號處理算法進行下一步處理。

 

       MSP430超聲波感應設計中心提供一個全面的開發生態系統,開發人員可利用它在幾個月內讓產品上市。該設計中心提供快速開發和靈活定制的工具,包括軟件庫、圖形用戶界面(GUI)、帶度量衡和數字信號處理(DSP)庫的評估模塊,開發人員可以快速實現原有設備的改造。