TI 流量计量解决方案

大家好 我叫Jacky 在德州仪器上海负责MCO和WCF的技术支持 不能说这是今天最重要的一个topic 但肯定是最后一个topic 最后这个topic主要是想给大家简单介绍一下 TI在流量表上面的方案 当然今天我主要是负责EP产品线的 所以对analog并不是太熟 我们今天上午analog同事在介绍方案的时候 也非常善良地帮我们介绍了很多EP的产品 我在这里也会涉及到一些analog产品的介绍 但可能大家问到一些深层次的问题 我就不能作答了 在这里以方案的形式给大家介绍所有TI的产品 也是希望大家 对我们TI所有的产品 在这样一个应用上面 会有一个比较简单的 overview的认识 今天的内容主要分下面几个部分 首先我们简单看一下 我们通常说的流量表包含哪几个部分的应用 以及对于流量表来说 它通常会有哪些综合的模块 第二部分 我们介绍一下TI在去年推出的一个新产品 所做的方案 用我们的CRF的interface来做的一个相对比较高端的无磁的流量表 后面会介绍一下最近几年比较流行的超声波 传感器的类型这样子的流量表的一个应用 以及对于我们F1系列产品在流量表应用中的 一些价值所在 最后我们有一个简单的总结 首先我们来看一下流量表 可能在坐有人对流量表很熟悉 有的可能不太熟悉 从简单来说 我们可以吧一个流量表 分成这样几个部分来看 首先 对于流量表来说 我们需要知道 它的传感器的部分 它采用一个什么样的传感器的原理 把水 气体或热气这样的流动的信号采样回来 这一部分我们通常把它归类在sensor这一部分 当然我们的sensor 不管你用什么样的传感器取得类似数字或模拟的信号之后 它都需要送到后面的部分来进行处理 对这样一个取样所得的信号 进行处理的部分 我们通常都会用一个低功耗的MCU 来完成这样一部分的操作 那么这个我们就是说的第二部分 microcontroller的部分 当我们把流量速度取得之后 或者说是计算出来以后 我们要做什么呢 通常来说 我们会有一些 类似于通讯这样子的需求 不管是有线还是无线类型的通讯 我们都会把它归来在communication的模块里面 它当然包含我们后面要说到的有线和无线不同的方式 这个是我们说的流量表里的第三大部分 第四个部分 大家知道 所谓的流量表一般都是 功耗比较严苛的一个应用 也就在于这里我们一般会有相应的电池 也就会有相应的系统电源管理部分 这个就是我们今天说的流量表的第四部分 最后一个部分 相对也是根据大家的应用来说 它的变数比较多的一个部分 我们通常把它归类到其他功能里面 其他功能通常可以包含很多种 假设这个表 除了要对流量进行采样之外 我还需要通过流量的变化 来控制一些阀门的关闭或者打开 这个时候你可能就有阀门控制的需求在里面 可能就会有DRV或电机控制类的需求 除了这个之外 像现在大家家里用的很多燃气表 都是预支付的 或者一些水表上面也会有预支付的功能 这样的预支付 通过什么样的方式来实现 有可能是RFID或者说用NFC的功能 来完成预支付的功能 这类的表上面就可能有预支付的模块 等等诸如此类并不是必须要的功能 我们通常把它归类在最后一个optional的方式里面 所以对于所有流量计的应用来说 我们简单地把它分成sensor microcontroller communication power management 和optional functionality 所以整个来说 它就是这五大部分 接下来我们看一看TI在五大部分里面 分别可以做一些什么样的事情 或者说为客户提供什么样的便利 首先在sensor部分 TI首先来说 因为我不负责analog 但据我所知 我们对sensor部分所涉及的比较少 但是在sensor部分我们一样有可做的事情 对sensor部分 虽然我们不做最前面的传感器部分 但是我们会涉及到很多信号调理的部分 包括我们的一些模拟前端 在超声波表上面 我们会有TTC1000的机会 对于所获得的信号 我们可能会有TTT7200这样的芯片 对它进行数据的处理 然后送给MCU 在信号调理部分也有非常多的料供大家选择 第二部分也是对于一个表来说非常主要的部分 就是微控制器 其实来说 它的整个变化也非常大 因为在流量表里面 我们一般是指水表气表热表 其实大家对于它的资源需求也都很不一样 有些人会需要有LCD显示 有些人根本就不需要LCD 它可能通过无线方式传出去就可以了 对有些客户来说 他可能会有阶梯水价的需求 对于断法空间的需求就会非常大 但有些客户 他本身没有这样子一个阶梯水价 而他的本身前面部分的采样电路是非常简单的 以前那种转子式的话 它对MCU的需求就会非常低 所以在这样一个MC的选择上 我们通常也提供了不同层次的 MCU给客户选择 后面我们也会讲到 对于最低端的 带LCD显示的产品来说 我们有我们本地中国团队设计的 MFC430 FRCO33的产品 可以供大家选择 它的整个产品是16K的FRAM来完成 LCD的资源也非常丰富 可以以非常低的成本来完成 一个Low cost表类的设计 对于有些客户来说 他对资源的需求相对丰富 可能会到32K 64K设置128K FRAM的需求的话 可能就会到我们的FR5859或者6869系列 根据你对LCD需求的有或者没有 你可以分别进行相应的选择 除此之外 也有一些高端的表类 它上面会选用LC无磁的方式来实现sensing部分 对于这一类的表 它通常都会需要用到我们芯片内部比较特殊的外设 我们叫做EFI 或者说是CIF interface 这样一个接口 对于TI在很多年前我们有一个主推的一个料是 FW42X系列 这是我们TI唯一一款带CIF interface 接口的芯片 在去年 我们量产的FR6989 又实现了增强型的CIF接口功能 它比FW427 无论是在功耗上面 还是性能上面 都有了非常大程度的提升 也满足了一些客户对于外部sensing力度方面的的增强 除此之外 如果下面这些原料都不能满足你的需求 其实对于整个430产品来说 我们有好几百颗料可以供大家选择 你总是能在MSC430上选到一颗符合你需求的料 除了这个之外 除了sensor部分 MCU部分 其实对于表类来说 现在非常重要的 或者说是机会非常多的 也是在它的通讯部分 我们以前早期的很多表 都是用 485 232有线通讯的方式 或者说是用hart 以及一些GSM GPRS模块的发送数据 近几年来说 在表上无线的机会越来越多 刚才我们介绍无线的同时也有提到了 提升TI无论是在1G的方案 还是2.4G的方案上面 都有非常强势的芯片可供大家选择 我们后面也会提到 除了这个之外 对于在座预支付或者 预付费的应用上面 对于TI也有相应的NIC的产品可以供大家选择 例如我们的TRF7960A 7970A 等等 对于如果有一些阀门控制类的应用呢 我们的motorcontrol的芯片也是非常适用 这一款我们先来看一下 是TI的参考设计 是基于我们 MFC430FR4133的一个芯片来设计的简单的水表方案 在这个方案里面 因为它本身是适用于非常低端的水表 它的输入源可能就是以前水表上面的转子 当水流流过的时候 或者说当液体流过的时候 转子的转动会被转化成一个一个的脉冲信号 这些脉冲信号送到我们的MSC430芯片以后 它通过这样一个技术方式 来完成对流量的检测 同时MSC430FR413这颗芯片 本身是FRAM类的 它也可以非常方便 或者说以非常低的功耗 来记录当前的一些数据信息 本身也非常适用于这一类 对低功耗要求比较高的表 这个是我们可以（听不清）到的一个reference哪 如果大家有需要 也可以去我们网站找到这样一个TI设计 所有方案资料都是完全公开的 接下来我们看一下CRE interface接口的流量表 我们刚才说到 所有的流量表 我们可以把它总结成 五大部分的模块 对于这样一个CIF的表来说 其实它最主要的 本质上的不同是在于它 sensor部分的一个差别 在sensor部分 我们通常在做的时候也会说 它是一个无磁水表 所以相对来说 它也会用到MCU内部的硬件资源 来跟sensor 部分进行配合 来获得当前流量速度的采集 其他部分基本上跟其他的表没有太大的差别 在这一块 其实TI一直以来都是有相对完整的参考设计 现在大家看到的是我们原来的 基于MFC430 FW427 这样一颗芯片的FDR interface接口的方案 可以看到 在这个平布板上 上面有转子 这个转子就相当于表里面的液体或气体在流动的时候 它会驱动这个小的板子转动 这个小的板子跟我的检测板之间是没有任何接触的 通过感应到上面电感电容交互磁场的变化 来获得当前转盘的转动情况 以此判断当前液体流量到底是多少 这个是TI非常成熟 已经有客户量产的方案 在这个方案上面 FW427 到底能实现什么样性能的流量监测 跟我们新产品会有什么样的差别 我们后面会有简单比较 现在大家看到的这个就是我们最新的基于FR6989增强型CRF interface接口的评估板 下面我们评估套件的形式 是这样的 在底板上面 就是类似于 你自己的表 上面会有一颗MSC430 FR6989的芯片 以及你需要用来做显示的LCD 和其他你需要的通讯接口 它最大的不同在于这一块 现在大家看到上面这个图 其实就是 这个图 实际上 当流量表有液体或流动的东西通过的时候 这个转盘就会转 你可以看到 它两个之间 这是我的检测部分 是没有任何接触的 没有接触 就意味着它没有任何机件磨损 它跟原来那种机械转子那种表 过了一定时间 就会有相应磨损 不同 它是没有这方面考虑的 而且 无字水表之前往往用在一些防盗之类的应用上 这个是我们最新一款评估套件 整个来说的话 跟我们原来FW427系列产品相比的话 我们把它叫做 增强型CRF 它最大特点是 跟原来FW427相比 首先它功耗更低 这个是基于它使用了FRAM作为代码存储区域 而有这样比较大的提升 第二 部分来说 在CIR interface接口里面 原来我们的SW427只能处理两个sensor 的信号 现在在FR6989上面 它都可以同时处理三个sensor的信号 另外来说 在FR6989里面 它其实有两个单独的AFE单元 同时进行工作 对于用户来说 它就不需要插入测试信号 进行重新的校准 对于每个AFE的模拟前端 部分来说 它都有独立的12位DAC 那么从片上来说的话 增强型ESI模块 还有相应的PPU存储 单独存储 为每个通道存储 测试数据 三个PSM计数器 可以根据需要 同时来做相应的记录 比如转动的情况 这个是我们用F41X系列芯片 通过软件方式来实现 DRF interface的接口 和用FW427原来的方案来实现IF interface接口以及 用最新的FRAM系列产品来实现这样的功能 它到底有哪些方面的好处 基本进行了这样一个对比 从这样一个对比数据来看的话 对于我们最新的FRAM6989系列产品 它所实现的功能是最强 但是它的功耗是最低的 它的整个对比数据的线是在这里 图上面最下面的东西 我看一下 最下面这个线就是对我们FR6989系列芯片 它所能实现同样功能的时候 所需要消耗的功耗 当然你可以看到 用F41X系列芯片 没有CRF interface的硬件接口 所以通过软件的方式来说的话 它的功耗会相对比较高 但是通过硬件的方式来实现的话 无论是FW427系列 还是FR6989系列 它的功耗都在相当低的一个水平 对于FR6989系列芯片来说 当我们完成每一次点的采样的时候、 对两个sensor来说 它的功耗差不多小于9纳安的水平 原来我们的FW427系列芯片 它完成每一次采样时候的功耗 差不多是17nA 所以可以看出我们新的FR6989系列芯片 在功耗上面比原有方案有了非常大的提升 第二部分来说 刚才所有资料都可以在我们网站下载 第二部分我们看一看这些年比较流行的超声波流量表的技术 其实在很多年前 超声波技术就被应用在其他一些工业上的表上 但是其实在水表上 一直没有被广泛应用 也是在于成本和精度上面的一个考虑 但是这两年 随着超声波技术的发展 包括一些前端生产厂商cost的不断下降 让超声波水表的发展变得越来越具有可实现性 我们下面简单来看一下 对于超声波技术 我看了今天上午的或者说之前的同事的题目 里面也有很多应用讲到了TOF这样一个概念 TOF就是 time of flight的简称 我们在这样一个表上面 我们用了超声波 大家知道 超声波发出去 和接收它的返回信号 我计算的是它出去到我接收到的时候这段时间的 飞行时间 所以我们一般把这样一个时间 称之为TOF 等会儿在我们后面也有会提到 对于超声波表来说的话 它通常正常工作时候的原理差不多是这样的 对于TI 我们不做sensor 但是我们有模拟前端 我们的TDC1000就是这样一个用来作为超声波 模拟前端的产品 首先 当TDC1000要发散信号的时候 它会驱动前面的transducer发送一定的超声波出去 当接触到对面目标的时候 它会反射回来 同时它会接收反射信号 并产生相应的stop信号 对于MCU或者信号调理电路来说 我需要检测的是 波从发射到收到 中间的时间 我们也称为TOF的时间 对于不同的厂商或者表来说 它在实现这一部分功能的时候 可能略有差异 但基本的原理都不外乎以这样的一个方式 来实现的 除了这个之外 这个是我们刚才其实 跟刚才看到那个是一样的 就是如果我们用单个的transducer方式来 发送超声波并且回收它的echo反射信号 通过这种方式来计算TOF时间 你可以从时序图上可以看到它的基本原理 它有响应的trigger可以trigger这个芯片来做这样一个发送信号 并且它会给出一个脉冲 这个时候的话 就会有这样的波发出去 然后当它收到echo回来超声波的反射信号的时候 它就会产生这样子一个脉冲 stop的脉冲 计算出这样一个stop到脉冲之间的时间的话 就可以知道 我当前管子里的流量大概是什么样的一个数据 刚才大家看到的是同一个使用单个transfusion的方式来实现 除此之外 也有一些厂商可以选择双transfusion的方式 来实现 其实基本原理差别不大 也是同样用一些类似的模拟前端来进行驱动 transfusive来发射响应的超声波 这个时候 另外一个transfusive 就负责接受信号 通过发射的时刻和接收的时刻的时间 来判断当前液体的流量 为什么我们可以通过计算发送出去的时刻 和接收到echo信号的时刻中间的飞行时间 来计算流量 也是因为本身超声波在 这样一个介质内的传播速度 本身是跟液体的很多特性的因素有关 这个计算公式我就不详细推演了 也不是我自己写出来的 但是它基本的原理就是类似于这样的一个计算方式 正常在表里面的话 它的transfusive在这里的A 然后当它发出去传播到 接收的部分的时候 我们可以通过我们知道的半径 长度 等等因素来推测出 从它传输到这边的时候 在不同的流量的情况下 它的时间应该是什么 这都是有相应的推算公式 但这部分也不是完全需要有MCU来测得的 后面我们就会看到 我们有什么样的方案 来获得TOF的时间 刚才我们讲到TDC1000是TI自己的超声波模拟前端 用来负责发射超声波信号 和接收它的echo反射信号 当它做完这样的事情以后的话 它的start和stop信号都是发送给TDC7200的 TDC7200本身这个芯片就是用来计算我们刚才所说的 非常重要的TOF的一个功能 它把它计算完以后 它可以通过SPI发送给MSP430 然后再做相应的处理 实际上也就类似于这是一个模拟前端进行发射 它负责后面一个相应的算法 计算 整个这样一套的TDC1000加TDC7200 以及MSP430低功耗MCU的配置 基本上可以构成TI在超声波流量表上面的解决方案 这个是我们刚才提到的超声波水表的系统方案 其实大家从这个框图里面 也不难看出 我们 刚才所说的流量表的五大部分 包括sensor部分信号调理 MCU 无线部分 以及power management 这个基本上是流量表的几大要素 对于我们这套方案来说 对于MSP430来说 它最大的特点还是在于低功耗 我们的MSP430 FR6989 它的动态功耗是100微安兆赫兹 LPM3模式下只有0.3微安的功耗消耗 所以非常适合对功耗要求非常高的流量表 刚才我们所有说道的设计都可以在TI design上面找到相应的资料