德州儀器（TI）中國區(qū)MSP微控制器業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理刁勇告訴21ic記者，由于不適當(dāng)和不準(zhǔn)確的感測和測量，水務(wù)公司配送的供水損失高達(dá)30%，因此超過80%的美國供應(yīng)商已投資或計(jì)劃投資智能水基礎(chǔ)設(shè)施，以提高運(yùn)營效率并減少水損失。據(jù)預(yù)測，全球智能水網(wǎng)絡(luò)市場的營收將從2016年的26億美元增長到2025年的72億美元。

圖：TI中國區(qū)MSP微控制器業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理刁勇

為滿足市場對(duì)水表更高計(jì)量精度要求，TI推出全新系列帶有集成超聲波感應(yīng)模擬前端的MSP430微控制器，提高智能水表的精度并降低其能耗。

為什么超聲波感測能提供更高的精度？我們先看看超聲波進(jìn)行流量計(jì)量的原理。下圖所示為簡易的超聲波測量原理和一些常見的超聲波傳感器布置拓?fù)?。用于流量測量的超聲波頻率范圍為100kHz至4MHz。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)射聲波并測量聲波傳輸時(shí)間（記為上行傳輸時(shí)間和下行傳輸時(shí)間，TOF）。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。安裝在流管內(nèi)部或外部的一對(duì)或多對(duì)超聲波傳感器可以用來測量TOF。

圖：超聲波測量原理和常見的超聲波傳感器布置拓?fù)?/p>

很明顯，不同于傳統(tǒng)水表中采用的機(jī)械感測，超聲波水表不與被測液體接觸，不會(huì)發(fā)生例如介質(zhì)污染、污垢積聚以及部件的結(jié)垢和老化影響測量精度，導(dǎo)致傳感器結(jié)果不準(zhǔn)確，需要定期對(duì)流量計(jì)進(jìn)行重新校準(zhǔn)等問題。

超聲波水表的TOF測量精確度將直接影響流量計(jì)量的分辨率和精度。流量表行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)最常見的是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)4064、國際法制計(jì)量組織(OIML)R49和歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN)1434。TI MSP430FR6047 MCU系列使開發(fā)人員能夠利用完整的波形捕獲功能和基于ADC的信號(hào)處理，達(dá)到符合上述標(biāo)準(zhǔn)的高水平精度要求，同時(shí)為流量計(jì)增加更多智能特性。

如下圖所示，MSP430FR6047集成了一個(gè)用于高級(jí)信號(hào)處理的低能量加速器模塊、256 KB的鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、LCD驅(qū)動(dòng)器和計(jì)量測試接口。刁勇表示，相較于競爭產(chǎn)品，這種技術(shù)可以更準(zhǔn)確地進(jìn)行測量，零漂平均值為25皮秒或更低，標(biāo)準(zhǔn)差為32皮秒或更低，因此可以檢測到低于1升/小時(shí)的流速。此外，集成的MSP430FR6047器件可以將水表系統(tǒng)組件數(shù)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(yùn)行10年或更長時(shí)間。

圖：MSP430FR6047結(jié)構(gòu)框圖

刁勇告訴21ic記者，超聲波傳感器測量流體的介質(zhì)類型其實(shí)不局限于液體。通常，待測流體為液體時(shí)使用頻率大于等于1MHz的超聲波傳感器，待測流體為氣體時(shí)使用頻率小于等于500kHz的超聲波傳感器。然而氣體測量對(duì)于超聲波計(jì)量是更大的挑戰(zhàn)。因?yàn)闅怏w密度是更小，超聲波信號(hào)在氣體里通過時(shí)衰減比在水中更大，所以外部還需要再加信號(hào)的放大。TI的下一代產(chǎn)品在信號(hào)的調(diào)理方面會(huì)做一些優(yōu)化。另外，MSP430FR6047的程序空間資源高達(dá)256KB。未來面向中低端水表，TI也會(huì)推出在程序空間略低的高性價(jià)比產(chǎn)品。

TI在滿足水表高精度需求的同時(shí)，也針對(duì)遠(yuǎn)程抄表推出兩款參考設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)更高效的水資源管理、準(zhǔn)確測量和及時(shí)計(jì)費(fèi)。

據(jù)刁勇介紹，一些水務(wù)公司，特別是小型水務(wù)公司，無法負(fù)擔(dān)對(duì)現(xiàn)有的水表進(jìn)行完全更換所需的巨大投入，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表，他們需要在現(xiàn)有水表基礎(chǔ)設(shè)施上增加一些通信的功能，來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表或?qū)崟r(shí)監(jiān)測水網(wǎng)運(yùn)行狀況。針對(duì)這一需求，TI提供兩個(gè)全新參考設(shè)計(jì)。

第一個(gè)參考設(shè)計(jì)TIDA-01228基于LC傳感器，也就是傳統(tǒng)無磁水表，采用單芯片SimpleLink雙頻帶CC1350無線MCU。在它的片上包含無線、MCU，還有被稱作SCE的傳感器控制引擎，用來做傳感器控制的一個(gè)模塊。它可以實(shí)現(xiàn)無磁水表的計(jì)量，同時(shí)還支持2.4G和Sub-1GHz無線通信。CC1350無線MCU在測量水流量時(shí)僅消耗4uA電流，從而延長產(chǎn)品的使用壽命。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，同時(shí)無需更換已安裝的儀表。

刁勇告訴記者，無線M-Bus是歐洲最為普遍的一種無線抄表方式，很多國家已經(jīng)采用，在歐洲也有專門針對(duì)M-Bus的標(biāo)準(zhǔn)。目前中國很多表廠也在考慮做M-Bus無線通信技術(shù)，主要面向出口歐洲市場或其他一些需要M-Bus的水廠。

TI的另一款新參考設(shè)計(jì)TIDA-01531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(shè)計(jì)采用TI的無線M-Bus軟件堆棧，并支持868 MHz頻段內(nèi)的所有無線M-Bus操作模式。

除了最新推出的新產(chǎn)品和參考方案之外，TI為智能水表應(yīng)用提供非常完整的產(chǎn)品方案。一個(gè)完整的智能水表包含很多子系統(tǒng)，前端的傳感測量子系統(tǒng)有多種測量方式，包括超聲波、LC作為傳感器以及磁性元器件的傳感器等。此外還有電源系統(tǒng)以及一些開蓋的檢測，以及各種有線無線的通信系統(tǒng)。對(duì)智能水表感興趣的工程師可以訪問TI.com/flowmeter-pr，查找到TI主推的設(shè)計(jì)方案和全新器件，為下一代水表設(shè)計(jì)帶來更多智能特性。