數(shù)字相差法芯片在超聲波水表中的應用

1、數(shù)字相差測量芯片數(shù)字相差測量芯片在超聲波水表中的應用在超聲波水表中的應用目錄數(shù)字相差流量測量芯片數(shù)字相差流量測量芯片開啟智能化水表設計開啟智能化水表設計艾薩半導體艾薩半導體ZigbeeZigbee通訊產(chǎn)品通訊產(chǎn)品1、2、3、4、1 1、艾薩半導體、艾薩半導體1.1 公司簡介公司簡介總部地址：總部地址： 美國 加利福尼亞州 洛杉磯市 Fabless 設計公司設計公司產(chǎn)品方向：產(chǎn)品方向： 工業(yè)測量和控制領域 成立時間：成立時間： 1992年4月1 1、艾薩半導體、艾薩半導體1.2 技術經(jīng)驗技術經(jīng)驗在在 CMOS,Bipolar,BiCMOS領域中超過領域中超過20年的設計經(jīng)驗年的設計經(jīng)驗 線程線程

2、: 0.35um,0.18um,90nm封裝封裝: 通用標準封裝和模組封裝通用標準封裝和模組封裝1.3 服務領域服務領域Analog & Digital 設計服務設計服務后端布局布線設計服務后端布局布線設計服務PCB 版設計服務版設計服務1 1、艾薩半導體、艾薩半導體1.4 主要產(chǎn)品主要產(chǎn)品產(chǎn)品廣泛應用于電測量產(chǎn)品廣泛應用于電測量 ,流量測量和熱計量領域流量測量和熱計量領域.-ADC系列系列 SN6501（單相）（單相）, SN6503（三相）（三相） 微控制器系列（微控制器系列（32bit M0 core） IPC32F01/02/03 流量和熱計量系列流量和熱計量系列 UTA690

3、1 , UTA6902, UTA6903, UTT821 UTA6905(新品新品) 目錄數(shù)字相差流量測量芯片數(shù)字相差流量測量芯片開啟智能化水表設計開啟智能化水表設計艾薩半導體艾薩半導體ZigbeeZigbee通訊產(chǎn)品通訊產(chǎn)品1、2、3、4、2 2、數(shù)字相差流量測量芯片、數(shù)字相差流量測量芯片-UTA6905-UTA69052.1 UTA6905 新特性新特性 數(shù)字相差技術 回波幅值檢測 換能器故障檢測 第一波檢測 可選的濾波方式PIN TO PIN 兼容69032 2、數(shù)字相差流量測量芯片、數(shù)字相差流量測量芯片-UTA6905-UTA69052.1 數(shù)字相差技術 UTA6905 通過測量順逆流

4、兩個方向的回波信號相對于內(nèi)部參考信號的相位差，從而計算出順逆流回波信號之間的相位差。 通過數(shù)字積分電路對相差信號進行積分，得到順流或逆流回波信號的相位差值t1、t2。 通過t1、t2精確計算出液體流量和流速。2.1 數(shù)字相差技術2 2、數(shù)字相差流量測量芯片、數(shù)字相差流量測量芯片-UTA6905-UTA69052.1 數(shù)字相差技術 連續(xù)計量多達31個回波的相差值，使流量測量波動性更小，重復性更好。 采用高分辨率的TDC（單精度64ps，雙精度32ps）計量相差信號，結果精度更高，穩(wěn)定性更好。 自動順逆流測量，自動結果累加，減少SPI通訊時間30%，整機功耗更低。2 2、數(shù)字相差流量測量芯片、數(shù)字

5、相差流量測量芯片-UTA6905-UTA6905技術優(yōu)勢：技術優(yōu)勢： 回波測量更穩(wěn)定；小流量測量精度提高回波測量更穩(wěn)定；小流量測量精度提高2.2 回波幅值檢測2 2、數(shù)字相差流量測量芯片、數(shù)字相差流量測量芯片-UTA6905-UTA6905 如何判斷回波信號質量？如何判斷回波信號質量？ 換能器之間的匹配，流體介質中的氣泡、雜質影響，這些都會導致回波信號發(fā)生變化。 如何提前預知換能器故障？如何提前預知換能器故障？ 隨著應用時間的增長，換能器元件老化或者結垢等原因會使信號會發(fā)生衰減。 如何實現(xiàn)前級放大輸出自調(diào)整？如何實現(xiàn)前級放大輸出自調(diào)整？ 在氣表或其他應用場合，回波信號不斷發(fā)生變化，需要保證前級

6、放大器輸出自穩(wěn)定。測試數(shù)據(jù)如下： 2.2 回波幅值檢測2 2、數(shù)字相差流量測量芯片、數(shù)字相差流量測量芯片-UTA6905-UTA6905標準信號單位：mv1528456181 100 112 125 145 160 170 185 203 217 237 253 265 280 296 313 332 347 362 376 390 408 422 440VECHO寄存器2468101214161820222426283032343638404244464850525456計算結果153147627894 109 125 141 156 172 188 203 219 235 250 266

7、282 297 313 329 344 360 376 391 407 423 4382.2 回波幅值檢測逐次逼近式檢測，在量程中由高到低檢測；500mv/250mv 量程可選：在VECHO_RNG 中設置振幅測量量程：VECHO_RNG=100 ：Vrng=0.152VCC，（500mV VCC=3.3V）VECHO_RNG=001 ：Vrng=0.076VCC，（250mV VCC=3.3V）分辨率：量程/32最大測量31次回波終止電壓可設定2 2、數(shù)字相差流量測量芯片、數(shù)字相差流量測量芯片-UTA6905-UTA69052.2 回波幅值檢測有效檢測管段或換能器工作狀態(tài)提供在線工作狀態(tài)參考

8、提前預知換能器故障小提示：小提示： 建議把屏蔽寄存器建議把屏蔽寄存器DEVALDEVAL設置到回波穩(wěn)定部分，設置到回波穩(wěn)定部分，避開振幅未穩(wěn)定的波形避開振幅未穩(wěn)定的波形 合理設定終止電壓，更節(jié)省測量時間和功耗合理設定終止電壓，更節(jié)省測量時間和功耗2 2、數(shù)字相差流量測量芯片、數(shù)字相差流量測量芯片-UTA6905-UTA69052.3 換能器故障檢測更加有效的斷線檢測機制：更加有效的斷線檢測機制： 可進行故障定位：順流/逆流換能器斷線 壓電陶瓷工作異常檢測2 2、數(shù)字相差流量測量芯片、數(shù)字相差流量測量芯片-UTA6905-UTA69052.3 換能器故障檢測 UTA6905 換能器故障檢測的原理

9、為：正常情況下，換能器在發(fā)送激勵脈沖后，存在一個阻尼振蕩的過程，也就是通常所說的余波，UTA6905芯片會檢測衰減的振蕩余波。 斷線狀態(tài)下斷線狀態(tài)下：沒有振蕩余波 壓電陶瓷異常壓電陶瓷異常：振蕩余波個數(shù)異常2 2、數(shù)字相差流量測量芯片、數(shù)字相差流量測量芯片-UTA6905-UTA69052.3 換能器故障檢測UTA6905 內(nèi)部的比較器可以將阻尼振蕩整形為方波并進行計數(shù)，通過計數(shù)值反映換能器的狀況。2 2、數(shù)字相差流量測量芯片、數(shù)字相差流量測量芯片-UTA6905-UTA69052.4 第一波檢測繼承和優(yōu)化了首波檢測功能。2 2、數(shù)字相差流量測量芯片、數(shù)字相差流量測量芯片-UTA6905-UT

10、A69052.4 第一波檢測 有效濾除外部干擾信號 更加穩(wěn)定的指示空管狀態(tài)空管狀態(tài)小提示：此時輸出時差信號而非相差信號2 2、數(shù)字相差流量測量芯片、數(shù)字相差流量測量芯片-UTA6905-UTA69052.5 可選的濾波方式2 2、數(shù)字相差流量測量芯片、數(shù)字相差流量測量芯片-UTA6905-UTA6905增強的抗干擾措施：增強的抗干擾措施： 方式一：第一波檢測 方式二：屏蔽窗 方式三：方式三：內(nèi)部硬件濾波內(nèi)部硬件濾波（新增功能）（新增功能）2.5 可選的濾波方式2 2、數(shù)字相差流量測量芯片、數(shù)字相差流量測量芯片-UTA6905-UTA6905 UTA6905每個流量方向最多可采集31組相差數(shù)據(jù)，

11、通過寄存器配置可打開打開/關斷關斷硬件濾波。濾波方式濾波方式可選： 濾除1個max和1個min測量數(shù)據(jù) 濾除2個max和2個min測量數(shù)據(jù) 濾除3個max和1個min測量數(shù)據(jù) 濾除1個max和3個min測量數(shù)據(jù) 濾除后的數(shù)據(jù)自動平均自動平均值處理。2.6 PIN TO PIN 兼容6903 硬件電路：基本不需要改動。硬件電路：基本不需要改動。 軟件修改：只需修改采集方式，基本不需要修改算法。軟件修改：只需修改采集方式，基本不需要修改算法。2 2、數(shù)字相差流量測量芯片、數(shù)字相差流量測量芯片-UTA6905-UTA6905目錄數(shù)字相差流量測量芯片數(shù)字相差流量測量芯片開啟智能化水表設計開啟智能化水表

12、設計艾薩半導體艾薩半導體ZigbeeZigbee通訊產(chǎn)品通訊產(chǎn)品1、2、3、4、3 3、開啟智能化水表設計、開啟智能化水表設計超聲波水表技術特點：l使動流量要求更低l小流量計量要求精度更高l整機功耗要求嚴格3.1 超聲波水表原理框圖：3 3、開啟智能化水表設計、開啟智能化水表設計3 3、開啟智能化水表設計、開啟智能化水表設計 基本原理圖3 3、開啟智能化水表設計、開啟智能化水表設計設計要點：設計要點：1、專用集成電路是關鍵 不論是時差法還是相位差法，專用集成電路的測量結果穩(wěn)定是關鍵。2、多脈沖激勵換能器： 相差法設計，多脈沖激勵是關鍵。數(shù)量較少的脈沖波難以充分激勵換能器，不能得到足夠數(shù)量的回波

13、，多數(shù)情況下使用換能器激勵達到幾十個脈沖。3 3、開啟智能化水表設計、開啟智能化水表設計設計要點：設計要點：3、回波接收： 回波接收選擇在信號幅值穩(wěn)定的位置，接收數(shù)量建議15-20個。過多的回波數(shù)量會導致功耗的增加。 固定延時窗和第一波檢測法各有特點，不論采用哪種方式，相差法不再需要脈沖對齊和STOP波的選擇，可直接讀取測量結果平均值。 空管檢測、斷線檢測功能可靈活的設定工作間隔。3 3、開啟智能化水表設計、開啟智能化水表設計設計要點：設計要點：4、考慮流速分布的影響 傳播速度差法從原理上看是測量超聲波傳播途徑上的平均流速，屬于先平均值。對于流速小的流層情況，管道內(nèi)的流速分布呈拋物面分布，需要

14、采用雷諾參數(shù)修正等方式進行修正，才能得到合理的測量結果。 對于流速較大的流層情況，流速分布因雷諾系數(shù)變化而異，隨著Re的增大，流速分布近似均勻分布，傳播速度差法測量結果需要采用流量修正系數(shù)修正。3 3、開啟智能化水表設計、開啟智能化水表設計設計要點：設計要點：5、管道和換能器的選型 好的水表設計一定離不開性能優(yōu)良的管段和換能器。管段的流量特性、批量誤差修正特性；換能器的延時穩(wěn)定性、回波質量都是選型要素。 超聲波在管道中的傳播路徑和聲道數(shù)，對于流量測量精度影響較大。 U型、W型、對射式、單聲道、多聲道等 采用多聲道法和聲速多反射法進行流量測量的方式已成功的在各自廠家產(chǎn)品中得到了應用。3.2 更小

15、的使動流量3 3、開啟智能化水表設計、開啟智能化水表設計-300-250-200-150-100-5005010015020016111621263136414651566166717681869196101106111116121126131136141146151156161166171176181186191196201206211216221226 靜水中實測數(shù)據(jù)：（供電3.0V，25, DN20） 共227組數(shù)據(jù)，Y軸單位：ps，標準差：73.48ps靜水中偏差數(shù)據(jù)多數(shù)集中在靜水中偏差數(shù)據(jù)多數(shù)集中在100ps100ps以內(nèi)，使動流量可達到以內(nèi)，使動流量可達到2L/h2L/h。3.2

16、流量計量精度更高 采用UTA6905芯片設計的水表，小流量段精度提高明顯。 以DN20表為例，在25L/h的流量下，依然滿足國標2基表精度要求。3 3、開啟智能化水表設計、開啟智能化水表設計25L/h流量點測試數(shù)據(jù)：測試條件：DN20，3.0V供電，15-35 3 3、開啟智能化水表設計、開啟智能化水表設計3.3 功耗更低通過配置合理的工作方式，有效減少SPI通訊時間 在檢定模式下，SPI通訊時間減少30%。自動實現(xiàn)順逆流測量，減少MCU干預，增加MCU休眠時間。狀態(tài)有水狀態(tài) （uA）無水狀態(tài) （uA）表號不顯示顯示檢定檢定不顯示顯示檢定1 (6905)2161.6245.57.733.342

17、2 (6905)1959.1243.66.932.240.23 (6905)20.261.323510.235.442.24 (6905)20.859.2235.27.731.440.15 (6905)19.158.42377.231.340.3參考樣表20693057.43047功耗測試數(shù)據(jù)對比3 3、開啟智能化水表設計、開啟智能化水表設計3、開啟智能化熱表設計3.4 抗干擾設計u 第一波檢測u 延時屏蔽窗利用硬件濾波功能進行的抗干擾設計 測試環(huán)境： 群脈沖發(fā)生器 ESD電壓 2000V 耦合方式：流量線耦合或者溫度線耦合3、開啟智能化熱表設計3.4 抗干擾設計相信業(yè)界可以在這相信業(yè)界可以在

18、這基礎上做的更高?；A上做的更高。目錄數(shù)字相差流量測量芯片數(shù)字相差流量測量芯片開啟智能化水表設計開啟智能化水表設計艾薩半導體艾薩半導體ZigbeeZigbee通訊產(chǎn)品通訊產(chǎn)品1、2、3、4、4、Zigbee通訊產(chǎn)品 除了除了ICCIICCI公司的公司的UTA6905UTA6905芯片外，美芯片外，美科芯科科芯科技利用自身資源，推出技利用自身資源，推出ZigbeeZigbee系列通訊產(chǎn)品。系列通訊產(chǎn)品。4、Zigbee通訊產(chǎn)品UC-Bee UC-Bee 產(chǎn)品特點：產(chǎn)品特點：ZigBee模模塊塊 完全符合IEEE802.15.4要求設計，基于zigbee2007協(xié)議棧開發(fā)，工作頻段：2.4GHz，為用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能。ZigBee模塊組網(wǎng)靈活、可控模塊組網(wǎng)靈活、可控 具備無線自組網(wǎng)、自動中繼路由功能 實現(xiàn)數(shù)據(jù)透傳