德州儀器（TI）中國區(qū)MSP微控制器業(yè)務拓展經理刁勇告訴21ic記者，由于不適當和不準確的感測和測量，水務公司配送的供水損失高達30%，因此超過80%的美國供應商已投資或計劃投資智能水基礎設施，以提高運營效率并減少水損失。據(jù)預測，全球智能水網(wǎng)絡市場的營收將從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)務拓展經理刁勇

為滿足市場對水表更高計量精度要求，TI推出全新系列帶有集成超聲波感應模擬前端的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行流量計量的原理。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撲。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激發(fā)超聲波傳感器從而產生相應頻率的超聲波，并使用同一聲波傳輸路徑從兩個對立的方向在不同時段發(fā)射聲波并測量聲波傳輸時間（記為上行傳輸時間和下行傳輸時間，TOF）。通過計算上下行傳輸時間的絕對時間差，進而計算出實際流量。安裝在流管內部或外部的一對或多對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撲

很明顯，不同于傳統(tǒng)水表中采用的機械感測，超聲波水表不與被測液體接觸，不會發(fā)生例如介質污染、污垢積聚以及部件的結垢和老化影響測量精度，導致傳感器結果不準確，需要定期對流量計進行重新校準等問題。

超聲波水表的TOF測量精確度將直接影響流量計量的分辨率和精度。流量表行業(yè)標準最常見的是國際標準化組織(ISO)4064、國際法制計量組織(OIML)R49和歐洲標準(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的信號處理，達到符合上述標準的高水平精度要求，同時為流量計增加更多智能特性。

如下圖所示，MSP430FR6047集成了一個用于高級信號處理的低能量加速器模塊、256 KB的鐵電隨機存取存儲器、LCD驅動器和計量測試接口。刁勇表示，相較于競爭產品，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。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，水表能夠運行10年或更長時間。

圖：MSP430FR6047結構框圖

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

TI在滿足水表高精度需求的同時，也針對遠程抄表推出兩款參考設計，以實現(xiàn)更高效的水資源管理、準確測量和及時計費。

據(jù)刁勇介紹，一些水務公司，特別是小型水務公司，無法負擔對現(xiàn)有的水表進行完全更換所需的巨大投入，為實現(xiàn)自動抄表，他們需要在現(xiàn)有水表基礎設施上增加一些通信的功能，來實現(xiàn)自動抄表或實時監(jiān)測水網(wǎng)運行狀況。針對這一需求，TI提供兩個全新參考設計。

第一個參考設計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模塊。它可以實現(xiàn)無磁水表的計量，同時還支持2.4G和Sub-1GHz無線通信。CC1350無線MCU在測量水流量時僅消耗4uA電流，從而延長產品的使用壽命。設計人員可以利用參考設計的小尺寸特性，輕松改裝現(xiàn)有機械流量計，使水務公司能夠添加AMR功能，同時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，很多國家已經采用，在歐洲也有專門針對M-Bus的標準。目前中國很多表廠也在考慮做M-Bus無線通信技術，主要面向出口歐洲市場或其他一些需要M-Bus的水廠。

TI的另一款新參考設計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。

除了最新推出的新產品和參考方案之外，TI為智能水表應用提供非常完整的產品方案。一個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主推的設計方案和全新器件，為下一代水表設計帶來更多智能特性。