“美國(guó)有80%的水務(wù)公司已經(jīng)開(kāi)始投入或者計(jì)劃更新水務(wù)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施，從而提高運(yùn)營(yíng)效率和減少管網(wǎng)水損失，在中國(guó)TI也看到有同樣的趨勢(shì)。”德州儀器中國(guó)區(qū)MSP微控制器業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理刁勇表示。根據(jù)資料顯示，2015年我國(guó)水表產(chǎn)量7000萬(wàn)臺(tái)，其中智能水表1500萬(wàn)臺(tái)，出口水表約1000萬(wàn)臺(tái)。
刁勇解釋道，目前整個(gè)水測(cè)量系統(tǒng)和計(jì)量系統(tǒng)不完整或準(zhǔn)確度不高，導(dǎo)致從自來(lái)水公司出來(lái)再分布到各個(gè)用戶的家庭水損失非常高，達(dá)到了30%，其中很大一部分的原因是水表計(jì)量的問(wèn)題造成的，所以把水表做得更精致、更智能化是水務(wù)公司的迫切需求。
根據(jù)市場(chǎng)分析顯示，智能水表的市場(chǎng)規(guī)模將從2016年的26億美金規(guī)模增長(zhǎng)到2025年的72億美金規(guī)模。
而根據(jù)國(guó)內(nèi)報(bào)告總結(jié)分析，2016年之前智能水表產(chǎn)量一直以近20%的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)“十三五”期間智能水表(含智能應(yīng)用系統(tǒng))銷售收入占全部水表銷售比例要達(dá)到40%，伴隨著政策向好，智能水表的市場(chǎng)規(guī)模也將穩(wěn)步提升，預(yù)計(jì)增速將達(dá)到28%，到2020年智能水表的滲透率將接近45%，年出貨量4500萬(wàn)臺(tái)。
目前，圍繞水表智能化無(wú)外乎兩方面改造，一方面是水表本身從機(jī)械水表向電子讀數(shù)水表方向演進(jìn)，包括超聲波水表，無(wú)磁水表等等，另外一方面就是為水表增加通訊模塊，使遠(yuǎn)程抄表監(jiān)控管理等更簡(jiǎn)便易行。
刁勇表示，自來(lái)水公司對(duì)新產(chǎn)品的需求主要有以下幾方面：
首先是對(duì)于提高水測(cè)量精度有一定要求，超聲波測(cè)量水的計(jì)量方式有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，可達(dá)±1%的精度。特別是在小流量的情況下，傳統(tǒng)機(jī)械表可能已經(jīng)沒(méi)有辦法計(jì)量，但超聲波的計(jì)量方式依然可以工作，這可以有效解決管網(wǎng)不準(zhǔn)確所帶來(lái)的損失。
第二是對(duì)壽命有要求，和傳統(tǒng)機(jī)械表相比，超聲波是全電子的水表，里面沒(méi)有機(jī)械葉輪，不存在磨損，因此壽命非常長(zhǎng)，這就意味著維護(hù)成本很低。因此盡管超聲波水表產(chǎn)品成本高，但綜合考慮到全周期內(nèi)的話，運(yùn)維成本會(huì)降低。
第三，自來(lái)水公司對(duì)水質(zhì)水成分需要進(jìn)行檢測(cè)，超聲波可以給水務(wù)公司更多的信息，使得其隨時(shí)監(jiān)控水的質(zhì)量。
第四，需要更可靠的產(chǎn)品，而超聲波或者無(wú)磁水表具有抗震動(dòng)、抗輻射、抗紅外、扛電磁干擾等特點(diǎn)。
第五，就是對(duì)改造的需求，和電網(wǎng)公司不同，目前水務(wù)公司都是一些本地化公司，部分實(shí)力不足的廠家希望對(duì)現(xiàn)有的獨(dú)立式水表上通過(guò)改造實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信系統(tǒng)即可，這樣對(duì)于成本的開(kāi)銷不會(huì)太大。
第六，是對(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的需求，國(guó)內(nèi)不光水務(wù)公司眾多，水表生產(chǎn)廠家同樣眾多，他們對(duì)于部分新技術(shù)的掌握程度不足，因此需要能夠快速上手評(píng)估開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。
TI MSP430FR6047是業(yè)界首款嚴(yán)格意義上的超聲波水表測(cè)量SoC
日前，TI推出全新的基于MSP430FR6047的超聲波SoC以及全新的通信功能的參考設(shè)計(jì)，可以滿足水務(wù)公司和表計(jì)公司對(duì)于智能抄表系統(tǒng)升級(jí)的需求。
這顆產(chǎn)品實(shí)際上可以說(shuō)是在水計(jì)量領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)超聲波測(cè)量的第一款真正意義上的SoC。刁勇表示，目前超聲波測(cè)量其實(shí)有很成熟的算法，難度不是太大，但目前超聲波水表普及率并不高，主要挑戰(zhàn)在于首先是需要高精度的采集，其次是需要低功耗的信號(hào)處理算法，以及更強(qiáng)大的整體計(jì)算平臺(tái)，而將這些集中到一個(gè)SoC中目前還沒(méi)有廠商實(shí)現(xiàn)，需要再外掛MCU實(shí)現(xiàn)。
MSP430FR6047繼承了MSP430家族優(yōu)秀的低功耗DNA，每秒測(cè)量功耗僅為3μA，如果采用干簧管或者霍爾傳感器等測(cè)量方案，再加上外部MCU資源，平均耗電水平為6μA左右。超聲波水測(cè)量主要是測(cè)量上下行時(shí)間差，這個(gè)飛行時(shí)間的精度決定了超聲波水表的精度，MSP430FR6047的超聲波模擬前端ADC達(dá)到了8MHz，飛行時(shí)間精度可以到25ps，而絕對(duì)精度達(dá)到了5 ps，可以檢測(cè)到每小時(shí)一升的滴漏情況。
這一切的優(yōu)勢(shì)都是來(lái)自于TI的硬件設(shè)計(jì)，如圖所示
MSP430FR6047結(jié)構(gòu)框圖
MSP430FR6047包含了一個(gè)超聲波傳感測(cè)量模塊（USS），該模塊里面集成超聲波傳感器接口，可以和換能器直接相連。模塊內(nèi)部還集成可編程脈沖發(fā)生器，可以產(chǎn)生不同頻率的超聲波。客戶在用設(shè)計(jì)中心的時(shí)候可以選擇不同的頻率去跟換能器匹配。
另外，芯片內(nèi)部還有另外一個(gè)重要模塊——低功耗加速器（LEA），具有DSP功能，專為超聲波測(cè)量進(jìn)行算法計(jì)算，并可獨(dú)立于單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算。刁勇表示，如果現(xiàn)在用普通MCU，理論上來(lái)說(shuō)也能做到，但是功耗會(huì)非常高。“通過(guò)我們的評(píng)估顯示，在超聲波測(cè)量方面，LEA比Cortex-M0處理器的速度快40倍。”
MSP430FR6047采用鐵電存儲(chǔ)器，在目前MSP430系列中擁有最大存儲(chǔ)空間，鐵電存儲(chǔ)器保證了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀取的安全性、低功耗以及長(zhǎng)期可靠性。同時(shí)還具有相當(dāng)豐富的通信接口，可以支持43UART、4個(gè)SPI、4個(gè)I/C。此外，也包含部分安全功能模塊，包括AES 256加密，CRC校驗(yàn)的模塊，還有隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。其他的外設(shè)還包括LCD驅(qū)動(dòng)器，12位200K Hz采樣率ADC、比較器和硬件倍增器。由于豐富的外設(shè)資源，除了測(cè)量之外，還可以滿足表計(jì)的所有功能需求，包括通信、管理、顯示、控制、閥門(mén)關(guān)斷等等。
除了硬件優(yōu)勢(shì)之外，TI還提供了相應(yīng)的軟件和硬件開(kāi)發(fā)工具，以加速客戶的設(shè)計(jì)周期。超聲波設(shè)計(jì)中心集成了客戶所有的配置調(diào)試功能，該軟件可以直接捕捉超聲波波形，這樣就可以通過(guò)比對(duì)波形，檢測(cè)水質(zhì)的成分。TI提供了一個(gè)基礎(chǔ)超聲波測(cè)量軟件庫(kù)，客戶不用從頭開(kāi)發(fā)軟件代碼，只需要將超聲波和換能器進(jìn)行簡(jiǎn)單匹配配置，可以自動(dòng)生成。
而在硬件開(kāi)發(fā)工具上，TI直接提供了評(píng)估板，可以與水表進(jìn)行連接后便可直接評(píng)估。該評(píng)估板預(yù)留BoosterPack接口，可擴(kuò)展眾多新功能板卡，包括溫度測(cè)量或者無(wú)線通信等等。
EVM430-FR6047開(kāi)發(fā)評(píng)估板
刁勇說(shuō)道：“MSP430FR6047是TI第一款超聲波水表測(cè)量SoC，未來(lái)還會(huì)有一些針對(duì)不同流體甚至氣體的超聲波測(cè)量SoC推出。”
全新參考設(shè)計(jì)為表廠增加無(wú)線傳感模塊
TI推出的全新TIDesigns參考設(shè)計(jì)包括TIDA-01228低功率水流測(cè)量，帶感應(yīng)傳感參考設(shè)計(jì)，以及TIDA-01531低功耗無(wú)線M-Bus通信模塊參考設(shè)計(jì)。
TIDA-01228是使用SimpleLink CC1350無(wú)線MCU SCE核心的機(jī)械（或混 合）水表的感應(yīng)（LC-）傳感器旋轉(zhuǎn)檢測(cè)。SCE傳感器控制引擎，是一個(gè)傳感器控制模塊，采用超小型12V P通道TI FemtoFET MOSFET，符合ISO4064-1：2014-11（1級(jí)）的測(cè)量精度要求。在3.6 V，12 Hz采樣率（無(wú)流量）下，功率消耗3.7 μA ；在3.6V，64Hz采樣率下，為19.6 μA。支持雙頻帶1 GHz（無(wú)線M-Bus）和2.4 GHzBLE 無(wú)線通信模式，可用在無(wú)磁水表和氣表等領(lǐng)域。
TIDA-01228參考設(shè)計(jì)圖例
TIDA-01531適用于CC1310的OMSv3.0.1兼容無(wú)線M-Bus堆棧；作為數(shù)據(jù)采集器支持16種水表列表；可帶或不帶外部主機(jī)MCU；符合EN13757-4 HT級(jí)傳輸功率，和對(duì)S- 、 T-和C-模式的靈敏 度和選擇性的HR 要求；休眠模式下功耗為0.7 μA @ 3.6V。可應(yīng)用領(lǐng)域除了氣表、水表和熱量計(jì)或熱成本分配器外，還可應(yīng)用于 智能電表和數(shù)據(jù)采集器的RF模塊。
TIDA-01531參考設(shè)計(jì)圖例