精准超声波感测+低功耗无线抄表 TI新方案让水表更智能

德州仪器（TI）中国区MSP微控制器业务拓展经理刁勇告诉21ic记者，由于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。据预测，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。

图：TI中国区MSP微控制器业务拓展经理刁勇

为满足市场对水表更高计量精度要求，TI推出全新系列带有集成超声波感应模拟前端的MSP430微控制器，提高智能水表的精度并降低其能耗。

为什么超声波感测能提供更高的精度？我们先看看超声波进行流量计量的原理。下图所示为简易的超声波测量原理和一些常见的超声波传感器布置拓扑。用于流量测量的超声波频率范围为100kHz至4MHz。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（记为上行传输时间和下行传输时间，TOF）。通过计算上下行传输时间的绝对时间差，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。

图：超声波测量原理和常见的超声波传感器布置拓扑

很明显，不同于传统水表中采用的机械感测，超声波水表不与被测液体接触，不会发生例如介质污染、污垢积聚以及部件的结垢和老化影响测量精度，导致传感器结果不准确，需要定期对流量计进行重新校准等问题。

超声波水表的TOF测量精确度将直接影响流量计量的分辨率和精度。流量表行业标准最常见的是国际标准化组织(ISO)4064、国际法制计量组织(OIML)R49和欧洲标准(EN)1434。TI MSP430FR6047 MCU系列使开发人员能够利用完整的波形捕获功能和基于ADC的信号处理，达到符合上述标准的高水平精度要求，同时为流量计增加更多智能特性。

如下图所示，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。

图：MSP430FR6047结构框图

刁勇告诉21ic记者，超声波传感器测量流体的介质类型其实不局限于液体。通常，待测流体为液体时使用频率大于等于1MHz的超声波传感器，待测流体为气体时使用频率小于等于500kHz的超声波传感器。然而气体测量对于超声波计量是更大的挑战。因为气体密度是更小，超声波信号在气体里通过时衰减比在水中更大，所以外部还需要再加信号的放大。TI的下一代产品在信号的调理方面会做一些优化。另外，MSP430FR6047的程序空间资源高达256KB。未来面向中低端水表，TI也会推出在程序空间略低的高性价比产品。

TI在满足水表高精度需求的同时，也针对远程抄表推出两款参考设计，以实现更高效的水资源管理、准确测量和及时计费。

据刁勇介绍，一些水务公司，特别是小型水务公司，无法负担对现有的水表进行完全更换所需的巨大投入，为实现自动抄表，他们需要在现有水表基础设施上增加一些通信的功能，来实现自动抄表或实时监测水网运行状况。针对这一需求，TI提供两个全新参考设计。

第一个参考设计TIDA-01228基于LC传感器，也就是传统无磁水表，采用单芯片SimpleLink双频带CC1350无线MCU。在它的片上包含无线、MCU，还有被称作SCE的传感器控制引擎，用来做传感器控制的一个模块。它可以实现无磁水表的计量，同时还支持2.4G和Sub-1GHz无线通信。CC1350无线MCU在测量水流量时仅消耗4uA电流，从而延长产品的使用寿命。设计人员可以利用参考设计的小尺寸特性，轻松改装现有机械流量计，使水务公司能够添加AMR功能，同时无需更换已安装的仪表。

刁勇告诉记者，无线M-Bus是欧洲最为普遍的一种无线抄表方式，很多国家已经采用，在欧洲也有专门针对M-Bus的标准。目前中国很多表厂也在考虑做M-Bus无线通信技术，主要面向出口欧洲市场或其他一些需要M-Bus的水厂。

TI的另一款新参考设计TIDA-01531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。

除了最新推出的新产品和参考方案之外，TI为智能水表应用提供非常完整的产品方案。一个完整的智能水表包含很多子系统，前端的传感测量子系统有多种测量方式，包括超声波、LC作为传感器以及磁性元器件的传感器等。此外还有电源系统以及一些开盖的检测，以及各种有线无线的通信系统。对智能水表感兴趣的工程师可以访问TI.com/flowmeter-pr，查找到TI主推的设计方案和全新器件，为下一代水表设计带来更多智能特性。