Создание прибора учета потребления коммунальных услуг – достаточно сложная задача. Чтобы помочь разработчикам, компания Texas Instruments предлагает готовое решение в виде ультразвукового счетчика потребления воды на базе своих микросхем TDC1000 и TDC7200.

Точное измерение объема потребления коммунальных услуг (газа, воды, тепла, электричества) выгодно как потребителям, так и поставщикам. По этой причине в последнее время наблюдается стремительное развитие приборов учета. Наиболее совершенные счетчики давно отказались от механических элементов (крыльчаток, электродвигателей и т. д.). Сейчас набирает популярность TOF-технология (time of flight) измерения уровня потока.

Для упрощения процесса создания приборов учета с TOF-технологией компания Texas Instruments предлагает к услугам разработчиков готовое решение в виде платы ультразвукового счетчика потребления воды. Данная плата включает в себя три основных части: измерительные цепи на базе микросхем TDC1000 и TDC7200, управляющий микроконтроллер MSP430, блок питания (рис. 2). Кроме того, с помощью дополнительных разъемов к плате можно подключить модули расширения: беспроводной приемопередатчик, ЖК-дисплей и т. д.

Рис. 2. Структура ультразвукового счетчика воды от Texas Instruments

Главной изюминкой данного решения бесспорно является использование ультразвуковой технологии измерения TOF. Она заключается в определении разности времён распространения ультразвуковых волн в потоке жидкости/ газа в прямом и обратном направлении (delta time of flight). Для этого используются микросхемы TDC1000 и TDC7200 от Texas Instruments (рис. 3).

Рис. 3. Принцип измерения разности пролета ультразвука

Физически измеритель состоит из двух ультразвуковых трансдьюсеров (TX2/ RX1 и TX1/ RX2) и двух отражателей, расположенных внутри трубы известного сечения с протекающей жидкостью/ газом (рис. 3).

Трансдьюсеры – особые приемопередатчики, которые способны как излучать ультразвук, так и принимать его. Работой трансдьюсеров управляет микросхема TDC1000, временные интервалы замеряет специализированный таймер TDC7200.

Измерение состоит из двух фаз: на первом этапе определяется скорость пролета в прямом направлении, во втором определяется скорость пролета в обратном направлении.

В начале первого этапа таймер TDC7200 подает сигнал Trigger для TDC1000. TDC1000 формирует обратный сигнал Start и одновременно возбуждает трансдьюсер TX2/RX1, который работает в режиме передатчика. При этом таймер начинает отсчет времени, а TDC1000 контролирует сигнал от приемника трансдьюсера TX1/RX2. Как только приходит ультразвуковой сигнал, TDC1000 фиксирует его и посылает сигнал Stop для таймера TDC7200. Таймер останавливает счет времени. Таким образом, замеряется время пролета ультразвука в прямом направлении.

На втором этапе для замера скорости пролета ультразвука в обратном направлении используется та же схема, только роли трансдьюсеров меняются: TX2/RX1 работает как приемник, TX1/RX2 – как передатчик.

Если во время измерений через трубу протекала жидкость или газ, то скорость и время пролета ультразвука в прямом и обратном направлении будут отличаться. По этой разнице можно судить о скорости протекания жидкости/ газа, что с учетом известного сечения трубы поможет определить объем потребления.

Микросхема TDC1000 имеет возможность измерения показаний двух датчиков температуры, а этого вполне достаточно для замеров потребления тепла.

Кроме измерительных микросхем демонстрационная плата содержит дополнительные элементы (рис. 4):

• разъемы для подключения внешних плат (1);
• разъем для подключения ультразвуковых трансдьюсеров и датчиков температуры (2);
• джамперы для управления работой светодиодов (3);
• отладочный слот для контроля сигналов измерительных микросхем (4);
• разъем для отладки и программирования MSP430 (JTAG) и для связи с ПК (UART) (5);
• дополнительный порт для отладки и подключения к ПК (UART) (6);
• перемычки для выбора источника питания (7);
• кнопка сброса микроконтроллера (8);
• три пользовательских кнопки (9);
• перемычки для подключения и отключения супер-конденсатора (10);
• понижающий DC/DC-преобразователь на базе TPS62740 (11);
• повышающий DC/DC-преобразователь на базе TPS61291DRV (не используется в фирменном ПО) (12);
• цепи заряда суперконденсатора (не используется в фирменном ПО) (13);
• пара разъемов с выведенными стандартными интерфейсами (SPI, UART) и портами ввода-вывода. Могут использоваться для подключения внешнего беспроводного приемопередатчика или ЖК (14);
• измерительные цепи (TDC1000 и TDC7200) и фильтры для их защиты (15).

Рис. 4. Внешний вид платы ультразвукового счетчика воды

У предлагаемого решения есть и другие особенности.

Сверхнизкое потребление. Одна из важнейших задач при построении автономных счетчиков заключается в снижении потребления. По этой причине для данного приложения выбран микроконтроллер MSP430FR6989 с потреблением 126 мкА/МГц. TDC1000 при выполнении 2 измерений в секунду потребляет всего 1,8 мкА. Потребление TDC7200 составляет всего 0,5 мкА при выполнении 2 измерений в секунду.

В результате, в среднем, потребление всей платы оказывается равным 10,5 мкА, а в режиме пониженного потребления и вовсе 0,5 мкА.

Компактные габаритные размеры. Компактные габариты – одно из самых важных требований к приборам учета. Размер данной платы равен 3x3 дюйма. Это оказывается возможным из-за компактных размеров микросхем: TDC1000 выпускается в корпусе TSSOP28, TDC7200 - в корпусе TSSOP14.

Развитая система питания. Плата содержит на борту два импульсных преобразователя. Понижающий регулятор TPS62740 необходим для питания микросхем и микроконтроллера, а повышающий TPS61291 для внешних плат расширения (например, беспроводного приемопередатчика или ЖК-дисплея) и заряда суперконденсатора.

Дополнительная возможность питания от суперконденсатора. Эта возможность особенно интересна при необходимости использования внешнего беспроводного приемопередатчика, так как он имеет значительное импульсное потребление. Для этого на плате размещен суперконденсатор, цепи зарядки, повышающий регулятор TPS61291.

Графический интерфейс с пользователем. Для отладки данная плата может подключаться к ПК. С помощью бесплатной утилиты пользователь может отслеживать измерения в реальном времени, настраивать микросхемы, контролировать температуру и объем потребления (рис. 5).

Рис. 5. Внешний вид пользовательского интерфейса готового решения от Texas Instruments

Из описания ясно, что данная плата может быть использована не только в счетчиках воды, но и в счетчиках газа. Более того, благодаря тому, что TDC1000 позволяет подключать пару датчиков температуры, плата подойдет и для счетчиков тепла.

Характеристики TDC1000PW:

• число поддерживаемых трансдьюсеров: 2;
• число поддерживаемых датчиков температуры: 2;
• коммуникационный интерфейс: SPI;
• ток потребления в активном режиме: 2,74 мА;
• ток потребления в режиме сна: 0,61 мкА;
• диапазон напряжений питания: 2,7…5,5 В;
• рабочий диапазон температур: -40...125°C;
• корпус: 28TSSOP.

Характеристики TDC7200PW:

• число поддерживаемых микросхем TDC1000: 1;
• коммуникационный интерфейс: SPI;
• ток потребления в активном режиме: 1,35 мА;
• ток потребления в режиме сна: 0,3 мкА;
• диапазон напряжений питания: 2…3,6 В;
• рабочий диапазон температур: -40...85°C;
• корпус: 14TSSOP.