AMS-TDC-GP30用于水表的系统级解决方案介绍

Confidential©amsAG2015超声波流量转换器(UFC)TDC-GP30用于水表的系统级解决方案GeorgJedelhauserNorbertBreyerRalfEmbergerMarch2015Confidential©amsAG2015Page2水表：一个行业正在改变机械式混合式电子式节能,静态,智能,超声波Confidential©amsAG2015Page3行业趋势：智能表计(AMR/AMI)AMR–自动抄表读取AMI–先进的计量基础设施通过在表（水，电，气）中集成电子读取和通讯能力，使得供应商实现节约成本消耗量的数据自动处理因特网电话无线备注:预付费解决方案!!!!相对于AMR/AMI，这种方案对于基础设施的要求更容易达到，非常适用于发展中国家Confidential©amsAG2015Page4目前的解决方案TI展示的系统模块，下图中红色方块表示机械式和超声波式设备的通用接口(Pulse,UART)这里，GP30用于超声波流量测量就像机械式一样，提供一个接一个的“流量信息”(灰色盒子)GP30输出数字化并且校准过的流量Confidential©amsAG2015Page5制造商想要迫切地退出传统的机械式水表，并且考虑：•这是一个非常老的技术•赚钱变得越来越难(价格战)公用事业供应商也想迫切地退出传统的机械式水表•糟糕的性能，长期运转的差精度•差劲的滴漏检测•不智能•不能检测偷水行为超声波技术：很多的技术/商业原因，超声波技术必将成为静态表计的标准，并具有巨大的市场。从纯机械式水表到超声波式水表的转型是必然的！并且机械式水表和超声波式水表将会在很长的时间里，使用协同战略并存。行业评价在流量计行业，ACAM公司20年的经验表明：Confidential©amsAG2015Page6纯机械式水表生产商只有纯机械式不带有任何电子部分的水表，成本低于超声波式水表。但是…AMR/AMI正在使简单的纯机械式无电子器件的水表退出市场。公共事业供应商从整个产品寿命周期来看，没有任何解决方案会比超声波式水表更经济。(包括纯机械式水表)•不易老化，很少出现漏计水。•不易老化，相对于机械式水表，双倍的使用寿命(12+3年)•极其精确的低流量计量，很少出现漏计水，很好的滴漏检测生产成本评估进入超声波表计行业的优点Confidential©amsAG2015Page7可用的额外功能•远程读表•滴漏检测•在低流量时高精度的测量更高的耐久性•两个校准周期的操作•减少总的安装以及维护的费用公共事业供应商可实现•最大限度的利用现有资源•更低的成本•增长的效率•提高客户服务•提高水资源的保护功能评估额外的功能将推动超声波流量计的市场份额。Confidential©amsAG2015Page8行业表计超声波流量转换器使水表或者流量计结构更加紧凑。水流1.换能器2.换能器插入系统在泵中放置传感器元件，是为了更高的效率Confidential©amsAG2015TDC-GP30系统集成解决方案基于超声波水表、热表、气表GeorgJedelhauserNorbertBreyerRalfEmbergerMarch2015Confidential©amsAG2015Page10GP30主要特点“单芯片解决方案”：执行了所有相关表计的测量任务，并且集成到一颗IC中•需要计量局认证由GP30和低功耗MCU构成的热表,水表,气表•不需要计量局认证对于许多工业应用的“单芯片解决方案”•GP30集成了一个32位的微处理器，能够计算并输出数字化校准后的流量和温度。•GP30能够独立完成所有的测量任务，它是一个完整的解决方案。•外部MCU控制系统的接口和显示功能(LCD,M-Bus,无线,...)•整个系统的超低电流功耗•GP30的工作电流:4.4µA@2Hz9.5µA@8Hz•GP30使得模块化的系统堆积成为可能Confidential©amsAG2015Page11优势标准MCU能够适用于超声波系统或者机械式系统MCU的通用化软件不仅适用于超声波系统，也适用于机械式系统对于MCU软件编程人员，不需要了解超声波物理基础和测量方法功耗主要是通过GP30控制，因此很容易满足MCU超低功耗的要求高测量频率可实现高动态流量的精确测量，防止操纵水表管段的独立校准成为可能，外部MCU不参与校准MCU完全被用于通讯和安全功能MCU&MCU&sameinterface&sameMCU&(nearly)sameSWforMCU接口部分GP30实现与传统机械式水表的无缝对接Confidential©amsAG2015Page12GP30主要技术特征一般特征用于超声波流量计和温度测量的完全集成式模拟前端。超低功耗32-Bit微处理器：77µA/MHz(acam公司专利)4-kByteFlash,128x32EEPROM(两者在电路中都可编程)176x32RAM数据保存在非易失性存储器中:10年@125℃耐用性:100k写循环@25℃;10k写循环@125℃实时时钟(RTC)2-8MHz晶振和32kHz(300nA)晶振集成用于数字单元的1.8VLDO调节器(1uA电源电流)静态电流:2.1µA(在运行32kHz晶振时)@3.0V工作电流:0.9µA/double-TOF/sec(包括用于计算的内置微处理器电流)接口:SPI,UART,脉冲接口电源供给:2.5V….3.6V环境温度:-40℃…..+125℃包装:QFN32,QFN40或者裸片Confidential©amsAG2015Page13GP30主要技术特征超声波模拟前端除了换能器之外，在超声波信号路径上不需要任何额外的元器件自我调节的模拟元件—不需要客户做任何调节高度可配置的自动模式，不需要单片机控制测量频率:0.25Hz到100Hz可编程的1到128个脉冲序列脉冲发射的频率:35kHz….4MHz首波检测，带有可编程的检测阈值（+-220毫伏）和脉冲宽度测量对于每一个TOF测量，所接收到信号的真正峰值振幅测量，提供可靠的气泡和老化检测在测量中多达31个Stop脉冲，非常小的噪声单个TDC的分辨率:11ps(远远高于所需分辨率)测量范围:250ns….8ms(远远高于所需范围)2线或者4线温度测量2mKrms温度测量精度(2线温度测量),非常好的增益和很稳定的补偿80nA对于一次温度测量/30秒PT1000@2线Confidential©amsAG2015Page14GP30内部结构框图Confidential©amsAG2015Page15换能器GP30直接连接换能器优点：连接结构超级简单连接中不会犯错不需要任何额外的外部元器件可连接各种换能器Confidential©amsAG2015Page16温度单元用于超声波热量表和超声波热水表-2线或者4线-分辨率:2mK@2线;4mK@4线-使用PT1000时电流:80nA@2线;240nA@4线-对于PT500/PT1000都适用2-Wire4-WirePTWCOMBPTWCOMAPTHOTAPTHOTBCLOADPTCOLDAPTCOLDBPTREFGP30SolderconncetionPTWCOMBPTWCOMAPTHOTAPTHOTBCLOADPTCOLDAPTCOLDBPTREFGP30PlugconnectionConfidential©amsAG2015Page17飞行时间的测量•升级到31个测量点•通过前八个测量点可以得到单个结果•可配置的开始测量点•在内部接收饱和时，可以省略测量点飞行时间的测量还包括以下功能•首波识别用来定义相对的第一波用来除去噪音•脉冲宽度检测用来追踪首波检测的offset•真正的振幅峰值检测用来探测气泡和老化前端处理超声波测量Confidential©amsAG2015Page18前端处理超声波测量ReceiveBurstFirstHitTOFHits1.1.2.3.PW_FHPW_SHZCDComparatoroutputN-thStartHitWaveperiodxIgnoredHitxIgnoredHitxIgnoredHit1.Programmabletriggerlevel,settoFirstHitLevel(FHL)forsavedetectionofthechosenfirsthit2.Afterwards,thetriggerlevelisautomaticallysettothezerocrosslevel(ZCL)“PW_FH=pulsewidthfirsthit,PW_SH=pulsewidthstarthitAmplitudepeakmeasurementSingleslopeADconversionConfidential©amsAG2015Page19带有2线制温度测量的热表由GP30构成的热表所需要的完整电路AS1360VinVout4u7100u47R4R71XIN_4MHZXOUT_4MHZVDD18_INSSN_GPIO2MOSI_GPIO3SCK_RXDMISO_TXDVDD18_INVDD18_OUTVCCUS_UPGNDUS_DOWNUS_VREFVCCGPIO0GPIO1UART_SELXIN_32KHZXOUT_32KHZINTN_DIRPTHOTBCLOADPTCOLDAPTCOLDBPTREFVCCGP30YD1503100nColdHotTemperature560k1k4MHzVCCVin3.6V10p10p680p100n100u4R7VDD1810M32.768kHzFIRE_UPFIRE_DOWNSSNMOSIINTGPIOSCKMISOSimplemicrocontroller(e.g.PIC,TI,SiLabs…)Usersoftware,interfaceConfidential©amsAG2015Page20带有脉冲输出的冷水表由GP30构成的水表所需要的完整电路完整的单芯片解决方案UART或者脉冲输出，或者可选的客户特定接口外部元器件的成本$0.60•电路描述了一个超低功耗的超声波水表所需要的全部元件•这个超声波水表在8HZ测量频率时的功耗仅为9.5uA•假设90％的零流量在2Hz测量频率时，电流减小到4.9μA(所有的值是基于Acam公司现在的测试版固件所得）1891617242532XIN_4MHZXOUT_4MHZVDD18_INVDD18_INVDD18_OUTVCCUS_UPGNDUS_DOWNUS_VREFVCCGPIO0GPIO1UART_SELXIN_32KHZXOUT_32KHZGP30YD1503560k4MHz10p10p680p100n100u4R7VDD1810M32.768kHzFIRE_UPFIRE_DOWNGPIOPulseinterfaceConfidential©amsAG2015Page21电池使用寿命使用GP30的系统，电池使用寿命超过20年。02468101214012345678910电流（不带up）/µA测量频率/Hz电流比较GP22vs.GP30不带µP)(GP22的微处理器附加电流远大于GP30)典型水表典型热表GP22GP30热表或者水表中电池使用寿命(包括平均值为4µA的外部MCU电流)频率./HzAA/年2/3AA/年131,521,1228,519,0326,017,3423,916,0522,114,7620,513,7719,212,8818,012,0917,011,31016,110,7•对于流量和温度的测量不需要MCUMCU多数情况下处于睡眠模式。•集成的32位µP执行所有的计算来生成校准后的流量和温度值.•假设:1.800mAh(AA-Cell),1.200mAh(2/3AA-Cell)Confidential©amsAG2015Page22GP30-BETA零点漂移评估室温下