数字相差法芯片在超声波水表中的应用

1、数字相差测量芯片数字相差测量芯片在超声波水表中的应用在超声波水表中的应用目录数字相差流量测量芯片数字相差流量测量芯片开启智能化水表设计开启智能化水表设计艾萨半导体艾萨半导体ZigbeeZigbee通讯产品通讯产品1、2、3、4、1 1、艾萨半导体、艾萨半导体1.1 公司简介公司简介总部地址：总部地址： 美国 加利福尼亚州 洛杉矶市 Fabless 设计公司设计公司产品方向：产品方向： 工业测量和控制领域 成立时间：成立时间： 1992年4月1 1、艾萨半导体、艾萨半导体1.2 技术经验技术经验在在 CMOS,Bipolar,BiCMOS领域中超过领域中超过20年的设计经验年的设计经验 线程线程

2、: 0.35um,0.18um,90nm封装封装: 通用标准封装和模组封装通用标准封装和模组封装1.3 服务领域服务领域Analog & Digital 设计服务设计服务后端布局布线设计服务后端布局布线设计服务PCB 版设计服务版设计服务1 1、艾萨半导体、艾萨半导体1.4 主要产品主要产品产品广泛应用于电测量产品广泛应用于电测量 ,流量测量和热计量领域流量测量和热计量领域.-ADC系列系列 SN6501（单相）（单相）, SN6503（三相）（三相） 微控制器系列（微控制器系列（32bit M0 core） IPC32F01/02/03 流量和热计量系列流量和热计量系列 UTA690

3、1 , UTA6902, UTA6903, UTT821 UTA6905(新品新品) 目录数字相差流量测量芯片数字相差流量测量芯片开启智能化水表设计开启智能化水表设计艾萨半导体艾萨半导体ZigbeeZigbee通讯产品通讯产品1、2、3、4、2 2、数字相差流量测量芯片、数字相差流量测量芯片-UTA6905-UTA69052.1 UTA6905 新特性新特性 数字相差技术 回波幅值检测 换能器故障检测 第一波检测 可选的滤波方式PIN TO PIN 兼容69032 2、数字相差流量测量芯片、数字相差流量测量芯片-UTA6905-UTA69052.1 数字相差技术 UTA6905 通过测量顺逆流

4、两个方向的回波信号相对于内部参考信号的相位差，从而计算出顺逆流回波信号之间的相位差。 通过数字积分电路对相差信号进行积分，得到顺流或逆流回波信号的相位差值t1、t2。 通过t1、t2精确计算出液体流量和流速。2.1 数字相差技术2 2、数字相差流量测量芯片、数字相差流量测量芯片-UTA6905-UTA69052.1 数字相差技术 连续计量多达31个回波的相差值，使流量测量波动性更小，重复性更好。 采用高分辨率的TDC（单精度64ps，双精度32ps）计量相差信号，结果精度更高，稳定性更好。 自动顺逆流测量，自动结果累加，减少SPI通讯时间30%，整机功耗更低。2 2、数字相差流量测量芯片、数字

5、相差流量测量芯片-UTA6905-UTA6905技术优势：技术优势： 回波测量更稳定；小流量测量精度提高回波测量更稳定；小流量测量精度提高2.2 回波幅值检测2 2、数字相差流量测量芯片、数字相差流量测量芯片-UTA6905-UTA6905 如何判断回波信号质量？如何判断回波信号质量？ 换能器之间的匹配，流体介质中的气泡、杂质影响，这些都会导致回波信号发生变化。 如何提前预知换能器故障？如何提前预知换能器故障？ 随着应用时间的增长，换能器元件老化或者结垢等原因会使信号会发生衰减。 如何实现前级放大输出自调整？如何实现前级放大输出自调整？ 在气表或其他应用场合，回波信号不断发生变化，需要保证前级

6、放大器输出自稳定。测试数据如下： 2.2 回波幅值检测2 2、数字相差流量测量芯片、数字相差流量测量芯片-UTA6905-UTA6905标准信号单位：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计算结果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 回波幅值检测逐次逼近式检测，在量程中由高到低检测；500mv/250mv 量程可选：在VECHO_RNG 中设置振幅测量量程：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最大测量31次回波终止电压可设定2 2、数字相差流量测量芯片、数字相差流量测量芯片-UTA6905-UTA69052.2 回波幅值检测有效检测管段或换能器工作状态提供在线工作状态参考

8、提前预知换能器故障小提示：小提示： 建议把屏蔽寄存器建议把屏蔽寄存器DEVALDEVAL设置到回波稳定部分，设置到回波稳定部分，避开振幅未稳定的波形避开振幅未稳定的波形 合理设定终止电压，更节省测量时间和功耗合理设定终止电压，更节省测量时间和功耗2 2、数字相差流量测量芯片、数字相差流量测量芯片-UTA6905-UTA69052.3 换能器故障检测更加有效的断线检测机制：更加有效的断线检测机制： 可进行故障定位：顺流/逆流换能器断线 压电陶瓷工作异常检测2 2、数字相差流量测量芯片、数字相差流量测量芯片-UTA6905-UTA69052.3 换能器故障检测 UTA6905 换能器故障检测的原理

9、为：正常情况下，换能器在发送激励脉冲后，存在一个阻尼振荡的过程，也就是通常所说的余波，UTA6905芯片会检测衰减的振荡余波。 断线状态下断线状态下：没有振荡余波 压电陶瓷异常压电陶瓷异常：振荡余波个数异常2 2、数字相差流量测量芯片、数字相差流量测量芯片-UTA6905-UTA69052.3 换能器故障检测UTA6905 内部的比较器可以将阻尼振荡整形为方波并进行计数，通过计数值反映换能器的状况。2 2、数字相差流量测量芯片、数字相差流量测量芯片-UTA6905-UTA69052.4 第一波检测继承和优化了首波检测功能。2 2、数字相差流量测量芯片、数字相差流量测量芯片-UTA6905-UT

10、A69052.4 第一波检测 有效滤除外部干扰信号 更加稳定的指示空管状态空管状态小提示：此时输出时差信号而非相差信号2 2、数字相差流量测量芯片、数字相差流量测量芯片-UTA6905-UTA69052.5 可选的滤波方式2 2、数字相差流量测量芯片、数字相差流量测量芯片-UTA6905-UTA6905增强的抗干扰措施：增强的抗干扰措施： 方式一：第一波检测 方式二：屏蔽窗 方式三：方式三：内部硬件滤波内部硬件滤波（新增功能）（新增功能）2.5 可选的滤波方式2 2、数字相差流量测量芯片、数字相差流量测量芯片-UTA6905-UTA6905 UTA6905每个流量方向最多可采集31组相差数据，

11、通过寄存器配置可打开打开/关断关断硬件滤波。滤波方式滤波方式可选： 滤除1个max和1个min测量数据 滤除2个max和2个min测量数据 滤除3个max和1个min测量数据 滤除1个max和3个min测量数据 滤除后的数据自动平均自动平均值处理。2.6 PIN TO PIN 兼容6903 硬件电路：基本不需要改动。硬件电路：基本不需要改动。 软件修改：只需修改采集方式，基本不需要修改算法。软件修改：只需修改采集方式，基本不需要修改算法。2 2、数字相差流量测量芯片、数字相差流量测量芯片-UTA6905-UTA6905目录数字相差流量测量芯片数字相差流量测量芯片开启智能化水表设计开启智能化水表

12、设计艾萨半导体艾萨半导体ZigbeeZigbee通讯产品通讯产品1、2、3、4、3 3、开启智能化水表设计、开启智能化水表设计超声波水表技术特点：l使动流量要求更低l小流量计量要求精度更高l整机功耗要求严格3.1 超声波水表原理框图：3 3、开启智能化水表设计、开启智能化水表设计3 3、开启智能化水表设计、开启智能化水表设计 基本原理图3 3、开启智能化水表设计、开启智能化水表设计设计要点：设计要点：1、专用集成电路是关键 不论是时差法还是相位差法，专用集成电路的测量结果稳定是关键。2、多脉冲激励换能器： 相差法设计，多脉冲激励是关键。数量较少的脉冲波难以充分激励换能器，不能得到足够数量的回波

13、，多数情况下使用换能器激励达到几十个脉冲。3 3、开启智能化水表设计、开启智能化水表设计设计要点：设计要点：3、回波接收： 回波接收选择在信号幅值稳定的位置，接收数量建议15-20个。过多的回波数量会导致功耗的增加。 固定延时窗和第一波检测法各有特点，不论采用哪种方式，相差法不再需要脉冲对齐和STOP波的选择，可直接读取测量结果平均值。 空管检测、断线检测功能可灵活的设定工作间隔。3 3、开启智能化水表设计、开启智能化水表设计设计要点：设计要点：4、考虑流速分布的影响 传播速度差法从原理上看是测量超声波传播途径上的平均流速，属于先平均值。对于流速小的流层情况，管道内的流速分布呈抛物面分布，需要

14、采用雷诺参数修正等方式进行修正，才能得到合理的测量结果。 对于流速较大的流层情况，流速分布因雷诺系数变化而异，随着Re的增大，流速分布近似均匀分布，传播速度差法测量结果需要采用流量修正系数修正。3 3、开启智能化水表设计、开启智能化水表设计设计要点：设计要点：5、管道和换能器的选型 好的水表设计一定离不开性能优良的管段和换能器。管段的流量特性、批量误差修正特性；换能器的延时稳定性、回波质量都是选型要素。 超声波在管道中的传播路径和声道数，对于流量测量精度影响较大。 U型、W型、对射式、单声道、多声道等 采用多声道法和声速多反射法进行流量测量的方式已成功的在各自厂家产品中得到了应用。3.2 更小

15、的使动流量3 3、开启智能化水表设计、开启智能化水表设计-300-250-200-150-100-5005010015020016111621263136414651566166717681869196101106111116121126131136141146151156161166171176181186191196201206211216221226 静水中实测数据：（供电3.0V，25, DN20） 共227组数据，Y轴单位：ps，标准差：73.48ps静水中偏差数据多数集中在静水中偏差数据多数集中在100ps100ps以内，使动流量可达到以内，使动流量可达到2L/h2L/h。3.2

16、流量计量精度更高 采用UTA6905芯片设计的水表，小流量段精度提高明显。 以DN20表为例，在25L/h的流量下，依然满足国标2基表精度要求。3 3、开启智能化水表设计、开启智能化水表设计25L/h流量点测试数据：测试条件：DN20，3.0V供电，15-35 3 3、开启智能化水表设计、开启智能化水表设计3.3 功耗更低通过配置合理的工作方式，有效减少SPI通讯时间 在检定模式下，SPI通讯时间减少30%。自动实现顺逆流测量，减少MCU干预，增加MCU休眠时间。状态有水状态 （uA）无水状态 （uA）表号不显示显示检定检定不显示显示检定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)19.158.42377.231.340.3参考样表20693057.43047功耗测试数据对比3 3、开启智能化水表设计、开启智能化水表设计3、开启智能化热表设计3.4 抗干扰设计u 第一波检测u 延时屏蔽窗利用硬件滤波功能进行的抗干扰设计 测试环境： 群脉冲发生器 ESD电压 2000V 耦合方式：流量线耦合或者温度线耦合3、开启智能化热表设计3.4 抗干扰设计相信业界可以在这相信业界可以在

18、这基础上做的更高。基础上做的更高。目录数字相差流量测量芯片数字相差流量测量芯片开启智能化水表设计开启智能化水表设计艾萨半导体艾萨半导体ZigbeeZigbee通讯产品通讯产品1、2、3、4、4、Zigbee通讯产品 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资源，推出技利用自身资源，推出ZigbeeZigbee系列通讯产品。系列通讯产品。4、Zigbee通讯产品UC-Bee UC-Bee 产品特点：产品特点：ZigBee模模块块 完全符合IEEE802.15.4要求设计，基于zigbee2007协议栈开发，工作频段：2.4GHz，为用户提供无线数据传输功能。ZigBee模块组网灵活、可控模块组网灵活、可控 具备无线自组网、自动中继路由功能 实现数据透传