Elektronische Wasserzähler SoC für den direkten Anschluss von Ultraschallsensoren

Auch der Wasserverbrauch soll künftig elektronisch und nicht mehr mechanisch erfasst werden.

Auf der Basis des MSP430 hat Texas Instruments ein SoC für elektronische Wasserzähler entwickelt. Es enthält alle Bausteine zum Ansteuern von Ultraschallwandlern und zum Erfassen der Messsignale und arbeitet nach dem Prinzip der Laufzeitdifferenzmessung mit hoher Genauigkeit.

Mit dem MSP430FR6047 hat Texas Instruments den ersten SoC entwickelt, bei dem alle Komponenten für einen Ultraschall-Durchflussmesser in einem IC monolithisch integriert wurden. Mit dem SoC lassen sich elektronische Wasserzähler mit nur einem IC sehr kompakt realisieren. Das Ultraschallmessprinzip der Laufzeitdifferenzmessung soll nach Angaben von Texas Instruments eine Messgenauigkeit von besser als ±1 % ermöglichen und auch niedrige Durchflussraten von  1 l/h detektieren können. Hierfür erfasst der MSP430FR6047 zur Messung die vollständigen Amplitudenverläufe der Eingangssignale und wertet die Hüllkurve aus, nicht nur die Nulldurchgänge. Laufzeitdifferenzen bis 25 ps und eine Auflösung von 5 ps sollen damit erreicht werden können.

Im SoC sind in dem Ultraschallmodul (USS Module, siehe Bild 2 in der Galerie) vier Blöcke zusammengefasst:

  • Der SAPH (sequencer for acquisition, programmable pulse generator, and physical interface) genannte Block enthält den Pulsgenerator – 0 bis 127 Pulse mit einer Frequenz zwischen 33 kHz und 2,5 MHz – und die Treiber – mit einer Ausgangsimpedanz von 4 Ω – für die beiden Ultraschallwandler, die als Sender und auch als Empfänger dienen.
  • Für die Signalerfassung wurde als zweiter Block ein programmierbarer Verstärker (–6,5 bis 30,8 dB) mit Sigma-Delta-ADU (12 bit, 8 MS/s) integriert, SDHS (Sigma-Delta High Speed) genannt.
  • Beide erhalten ihr Taktsignal  im Bereich von 68 MHz bis 80 MHz von einem dritten Block, HSPLL (High-Speed PLL) unabhängig vom Mikrocontroller.
  • Auch die Stromversorgung des Ultraschallmoduls arbeitet unabhängig mit eigenem 1,6-V-Linearregler (LDO) und Sequenzer.
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SoC für Ultraschall-Durchflussmesser

Für den Bau elektronischer Wasserzähler bietet Texas Instruments mit dem MSP430FR6047 ein SoC an, mit dem sich Ultraschall-Durchflussmesser realisieren lassen.

Energiesparen für den Batteriebetrieb

Elektronische Wasserzähler müssen in der Regel mit einer Batterie versorgt werden und ohne Batteriewechsel über viele Jahre arbeiten. Aus diesem Grund ist im SoC auch ein FRAM-Speicher (256 kB) und kein Flash-Speicher integriert. Wird ein Messwert pro Sekunde erfasst so ist ein Betrieb des SoCs mit ca. 3 µA möglich.

Für die schnelle und stromsparende Auswertung hat Texas Instruments im MSP430FR6047 einen mathematischen 32-bit-Coprozessor (LEA – Low-Energy Accelerator) integriert, der Matrixoperationen unabhängig von der CPU besonders energiesparend und schnell ausführt. Mit ihm lässt sich eine komplexe FFT mit 256 Abtastpunkten 40 × schneller ausführen als mit dem Prozessorkern Cortex M0+ von ARM.

Entwicklungskit und Software

Um auf der Basis des MSP430FR6047 einen Ultraschall-Durchflussmesser zu entwickeln, z.B. für einen elektronischen Wasserzähler, bietet Texas Instruments ein Testmodul (EVM430-FR6047, siehe Bild 3 der Galerie) an und stellt mit dem Ultrasonic Design Center auch das passende Werkzeug zur Softwareentwicklung an – incl. Bibliothek und GUI.

Auf dem Testmodul sind Steckverbinder vorhanden, die eine Erweiterung des Ultraschall-Durchflussmessers ermöglichen, z.B. um einen Funktransceiver. Hierfür bieten sich Funkmodule auf der Basis der Funk-Mikrocontroller CC1310 oder CC1350 von Texas Instruments an, z.B. das neue Referenzdesign für den CC1310 für Wireless M-Bus im 868-MHz-Bereich.