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Ultraschall-Mikrocontroller für präzisere, intelligente Wasserzähler

| Redakteur: Richard Oed

Mit dem MSP430FR6047 hat Texas Instruments (TI) eine neue Familie von MSP430-Mikrocontrollern mit integriertem Analog Front End für die Ultraschallerfassung zur Realisierung von genauen und stromsparenden intelligenten Wasserzählern vorgestellt. Mit den MCUs und dazugehörigen Referenzdesigns lassen sich elektronische und mechanische Wasserzähler intelligenter machen.

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Der neue MSP420FR6047 vereinfacht aufgrund seiner hohen Integrationsdichte die Entwicklung von intelligenten Wasserzählern wesentlich. Das zugehörige Evaluationsmodul (im Bild) erlaubt den Anschluss von bis zu zwei Ultraschall-Sensoren und die Analyse des Stromverbrauchs.
Der neue MSP420FR6047 vereinfacht aufgrund seiner hohen Integrationsdichte die Entwicklung von intelligenten Wasserzählern wesentlich. Das zugehörige Evaluationsmodul (im Bild) erlaubt den Anschluss von bis zu zwei Ultraschall-Sensoren und die Analyse des Stromverbrauchs.
(Bild: Texas Instruments)

Der neue, mit 16 MHz getaktete MSP430FR6047 vereinfacht die Entwicklung von Durchflussmessern. Der integrierte 12-Bit Sigma-Delta Wandler mit einer Abtastrate von 8 MSamples/s und der ebenfalls integrierte, von der CPU unabhängig arbeitende Hardwarebeschleuniger für die digitale Signalverarbeitung erlauben eine vollständige Erfassung des Signals. Damit kann selbst bei Durchflussraten von weniger als 1 Liter/h eine differentielle Laufzeit (Time of Flight) von 25 ps oder besser und eine Messgenauigkeit von unter 5 ps erreicht werden.

Einfache und genaue Erfassung der Durchflussrate

Das neue Design-Center für Ultraschallanwendungen ermöglicht das Aufzeichnen von Signalen in Echtzeit und die Darstellung der wichtigsten Parameter.
Das neue Design-Center für Ultraschallanwendungen ermöglicht das Aufzeichnen von Signalen in Echtzeit und die Darstellung der wichtigsten Parameter.
(Bild: Texas Instruments)

Durch seinen hohen Integrationsgrad soll der MSP430FR6047 den Bauteileaufwand für Wasserzähler um bis zu 50% und den Stromverbrauch um bis zu 25% reduzieren. Im Arbeitsmodus nimmt der Controller 120 µA, im Standby mit laufender Echtzeituhr 450 nA und im Shutdown-Mode 30 nA auf. Die durchschnittliche Stromaufnahme bei einer Messung pro Sekunde beträgt 3 µA. Damit kann ein Zähler über zehn Jahre mit einer Batterie betrieben werden.

In die neuen Mikrocontroller integriert sind ferner 256 KByte FRAM (Ferroelectric Random Access Memory), von denen 4 kByte sowohl von der CPU als auch vom Hardwarebeschleuniger ansprechbar sind, ein LCD-Treiber und eine Schnittstelle für den Test des Zählers. Standard-Ultraschallsensoren bis 2,5 MHz können direkt an den Prozessor angeschlossen werden. Ein Evaluationsmodul mit Anschlüssen für externe Signalgeber, Steckverbinder für zusätzliche Booster-Packs und einer alphanumerischen LCD-Anzeige steht ebenfalls zur Verfügung.

Das MSP430 Ultrasonic Sensing Design Center stellt ein umfassendes Ökosystem für die Entwicklung von Ultraschall-Sensorik zur Verfügung. Damit können Applikationsentwickler ihre Produkte in kürzerer Zeit auf den Markt bringen. Das Design Center stellt Tools für eine zügige Entwicklung zur Verfügung und ermöglicht individuelle Anpassungen, darunter Softwarebibliotheken, eine grafische Benutzeroberfläche (GUI), Evaluationsmodule mit Metrologie-Funktionen und DSP-Bibliotheken. Diese erlauben das einfache Austesten verschiedener Konfigurationen, auch unter Verwendung eigener Zähler. Die Aufzeichnung von Signalen in Echtzeit und die grafische Ausgabe wichtiger Größen ist ebenfalls möglich.

Vorhandene mechanische Zähler können erweitert werden

Weiterhin präsentierte TI zwei neue Referenzdesigns, die das Design von Modulen erleichtern, die existierende mechanische Wasserzähler AMR-fähig (AMR: Automated Meter Reading / Zählerfernauslesung) machen.

Mit dem neuen Referenzdesign für die induktive Durchflussmessung bei Wasserzählern stellt TI eine kompakte Lösung für die elektronische Messung mechanischer Durchflusszähler zur Verfügung, welches auf der SimpleLink Dual-Band Wireless MCU CC1350 beruht. Damit wird Entwicklern die Fähigkeit zur Nachrüstung der drahtlosen Dual-Band-Kommunikation in AMR-Netzwerken zur Verfügung gestellt. Der geringe Platzbedarf des Referenzdesigns ermöglicht es, bestehende mechanische Durchflussmesser einfach aufzurüsten. Dies erlaubt Wasserversorgern die Nachrüstung der AMR-Fähigkeit, ohne die vorhandenen Zähler austauschen zu müssen. Dabei wird die Rotationsgeschwindigkeit der Zählerscheibe der mechanischen Zähler induktiv erfasst. Der CC1350 nimmt beim Messen der Durchflussrate nur 4 µA auf, was die Lebensdauer entsprechend verlängert.

Beim zweiten, ebenfalls neuen Referenzdesign handelt es sich um eine stromsparende Lösung auf der Basis der SimpleLink Sub-Gigahertz Wireless MCU CC1310. Das Low-Power Wireless M-Bus (wM-Bus) Communications Module Referenzdesign bedient sich des bereits bekannten und kostenfreien OMS (Open Meter System) 3.0.1 konformen wM-Bus Software-Stacks von Texas Instruments und unterstützt sämtliche Betriebsarten des Wireless M-Bus im 868-MHz-Band. Kennzeichnend für dieses Referenzdesign ist neben dem niedrigen Stromverbrauch die Flexibilität zur Unterstützung von wM-Bus-Installationen in verschiedenen Regionen.

Sowohl für den MSP430FR6047, als auch für die Referenzdesigns und das FR6047 Evaluationsmodul, ist eine umfangreiche Dokumentation verfügbar. Der Mikrocontroller ist im 100 Pin LQFP-Gehäuse in Musterstückzahlen für 9,99 US-$ pro tausend Stück bereits verfügbar, ebenso wie das Evaluationsmodul mit einem Listenpreis von 249 US-$.

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