水表/超聲水表市場涌現(xiàn)，TI用MCU和無線厲兵秣馬

　　水表市場：十年將增長2.7倍

　　繼前一二十年的電表熱之后，隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，水表也在改頭換面，成為新的熱潮。據(jù)統(tǒng)計，全球目前共部署了約15億塊水表。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。僅在美國市場，超過80%的美國供應(yīng)商以投資或計劃投資智能水表的基礎(chǔ)設(shè)施，以提高運營效率并減少水損失。

　　圖：傳統(tǒng)機(jī)械水表目前占據(jù)大部分市場

　　水表市場的痛點是：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%。另外與同樣龐大的電表市場不同，水務(wù)公司通常是本地化的，規(guī)模較小、數(shù)量較多，為了降低成本，他們十分迫切需要依靠AMR(自動儀表讀數(shù))降低運營成本。不過，與完成智能電表安裝相比，AMR模塊的部署成本更低，因此基于標(biāo)準(zhǔn)的無線通信網(wǎng)絡(luò)/物聯(lián)網(wǎng)可輕松實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運行，降低成本。

　　圖：超聲波電子式水表(圖片來源：TI公司)

　　超聲波水表的研發(fā)新開工項目增長快

　　而目前大部分水表是機(jī)械表，電子式正有取代機(jī)械表的趨勢。

　　電子式分兩類。一種嚴(yán)格地稱是半機(jī)械式，即機(jī)械表的活動部件會使用機(jī)械感測，例如使用電感電容器(LC)、巨磁電阻(GMR)、隧道式磁阻(TMR)或霍爾效應(yīng)傳感器捕獲螺旋槳或葉輪的運動，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)并傳遞給測量單元。由于有活動部件，所以可能會出現(xiàn)磨損和不準(zhǔn)確的情況。因此這些儀表的壽命普遍較短(不到7年)，并且不能檢測到低流量或小泄漏。同時會有污染、污垢積聚及部件老化也會影響測量精度，因此需要定期校準(zhǔn)。

　　純電子式的往往是超聲波傳感器。目前盡管市場出貨量還不大，但是新開工的項目中此方案較多。因為該方法避免了上述幾個問題，實現(xiàn)了1%的精度，具有較長使用壽命(>10年)，可以方便地檢測不同成分的液體或氣體，并調(diào)整介質(zhì)和管道腐蝕污染的影響，另外由于沒有活動部件，無需重新校準(zhǔn)。不過，相比半機(jī)械式，超聲波方案的成本較高。

　　TI帶來針對超聲波水表檢測的首款MCU

　　近日TI在京召開新聞發(fā)布會，宣布推出更精確的智能水表單芯片超聲波感應(yīng)微控制器(MCU)——MSP430FR6047。特點是來自TI的超低功耗MSP430家族，帶有集成超聲波感應(yīng)模擬前端，能夠提高智能水表的精度并降低其能耗。

　　具體地，新型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模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的信號處理，為流量計增加更多智能特性。相較于競爭對手的器件，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。新型MCU還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(jī)存取存儲器(FRAM)、液晶顯示器(LCD)驅(qū)動器和計量測試接口。

　　TI中國區(qū)MSP微控制器業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理刁勇先生稱，MSP430FR6047是TI第一款超聲波檢測芯片，特點是MCU資源十分豐富，一顆芯片就足夠了，而且超低功耗(約3uA)，實現(xiàn)滴漏測量。

　　具體地，友商產(chǎn)品往往是用一顆芯片專門做超聲波計量，TI把它集成進(jìn)來，即把DSP模塊(LEA)加進(jìn)來。超聲波測量的關(guān)鍵點是飛行時間(TOF)測量，即安裝在流管內(nèi)部或外部的一對或多對超聲波傳感器可以用來測量TOF，而水管粗細(xì)并不重要。因此難點是在算得準(zhǔn)的情況下實現(xiàn)功耗低，這就要求算得快，普通MCU算得沒那么快，因而功耗居高不下，F(xiàn)R6047芯片集成了低功耗加速器(LEA)，比Cortex-M0核快40倍。另外值得稱道的是FRAM，采用了TI最大容量256KB，因此存儲資源豐富。而友商的一顆MCU資源有時只有幾十KB、并缺少液晶顯示器(LCD)驅(qū)動器和計量測試等接口，因此需要多顆MCU實現(xiàn)。

　　FR6047芯片小批量時9.99美元，這個價格是否有些高?實際上，這是在批量1K以下。其實價格是比較合理的，因為通常一個模擬前端方案成本就已達(dá)3美元。

　　TI的水表及流量表

　　為何TI還推出名為“MSP430超聲波感應(yīng)設(shè)計中心”的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)?因為超聲波設(shè)計很復(fù)雜，各自來水公司的要求不同，因此TI提供相應(yīng)的軟件和工具，使開發(fā)人員可幾個月內(nèi)產(chǎn)品上市。

　　實際上，TI有完整的水表產(chǎn)品線，涵蓋半機(jī)械式到全電子式。并且也可以做其他測量，諸如氣體，但是氣體密度低，測量難度加大。

　　上文說到MSP430FR6047是超聲波計量家族的第一款產(chǎn)品，那么今后的產(chǎn)品路線圖如何?刁勇先生透露，下一代新產(chǎn)品將是提高ADC精度，以便測量氣體;另外還可能把FRAM容量做得小一些，以降低成本。

　　此次發(fā)布會上，TI還推出兩款新型參考設(shè)計，使客戶可以更輕松地設(shè)計模塊，并為現(xiàn)有機(jī)械水表新增自動抄表功能(AMR)。

　　1. 具有感應(yīng)傳感能力的新型低功耗水流測量參考設(shè)計是一種緊湊的解決方案，用于對低功耗機(jī)械流量計進(jìn)行電能測量，延長電池壽命。由單芯片SimpleLink?雙頻帶CC1350無線MCU啟用，該參考設(shè)計還能夠使設(shè)計人員為AMR網(wǎng)絡(luò)添加雙頻無線通信。

　　2. 第二個新型參考設(shè)計是基于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。該參考設(shè)計可提供一流的功耗和靈活性，支持跨多個地區(qū)的無線M-Bus部署。

　　小結(jié)

　　水表市場正在興起，半機(jī)械式/螺旋槳或葉輪式成本較低;超聲波測量法成本較高，但精度高。此外AMR也需要更多的無線通信能力。TI厲兵秣馬，已備好各種方案。