マイコン(MCU)

MSP430™ 超音波および機械式流量センシング・マイコン

水、ガス、熱量の各種メーター向け超低消費電力 SoC

システム・オン・チップ MSP430™ 超音波 / 高性能センシング・マイコンは、高精度の水道、熱量、ガスの流量測定アプリケーション用に設計されています。このマイコンには、超音波センシング・アナログ・フロント・エンド、拡張型スキャン・インターフェイス、および DSP 機能などの統合型ペリフェラルが搭載されています。リアルタイム・クロック、LCD ドライバ、12 ビットの逐次比較型 ADC、およびコンパレータはすべてのマイコンに搭載されています。

超音波センシング SoC

  • 高精度の超音波流量センシング
  • AFE を内蔵した超音波マイコン
  • 統合型 8 MSPS デルタ・シグマ型 ADC
  • 計量テスト・インターフェイス(MTIF)

回転式流量センシング SoC

  • 超低電力拡張スキャン・インターフェイス・ペリフェラル
  • 最大 3 個の LC 回転検出センサをサポート
  • TMR、GMR、ホール効果、光センサをサポート

信号処理マイコン

  • 低消費電力の統合型数学エンジン
  • Arm® Cortex®-M0+ マイコンの 40 倍の性能
  • 効率的な FIR フィルタと FFT フィルタの実装

流量メーターに超音波センシングを採用する理由

超音波センシングは、気体や液体のような媒体に伝わる超音波のタイム・オブ・フライト(ToF)とその流量への依存性を利用して、体積流量を測定し算定します。 この技術は、超音波を流れの上流方向と下流方向に送信した際の伝搬時間の違いを利用します。これにより、広いダイナミック・レンジにわたり堅牢かつ正確に体積流量を測定できます。    

流量計用超音波センシング

超音波流量計の特長

超音波センシングの特長: 

  • ±1% 未満の高精度流量測定
  • 可動部品または磨耗や破損がなく、長い動作寿命とコスト効率を実現するとともに整備/保守の手間を低減
  • 振動、赤外線、および EMI に対する耐性

次のような液体で適切に動作します。 

  • 塗料

次のような気体で適切に動作します。 

  • 空気
  • 二酸化炭素
  • 酸素
  • メタン

TI の超音波センシング向け波形キャプチャ・ベースのアプローチ

MSP430 超音波センシング SoC は、トランスデューサの応答全体が、アップストリームとダウンストリームの両条件について時間ドメインでキャプチャされるような、波形キャプチャ・ベースの独自の技術を容易にします。これらの波形の後処理により、タイム・オブ・フライト(TOF)の差を判定します。 

超音波水道メーターの図

波形アプローチの利点

  • 信号振幅の変動に対する堅牢性(トランスデューサ間の変動、異なる材料組成、高い流量、ノイズ、温度変化など)
  • 少ない流量でも非常に高い精度を発揮し、漏れを検出
  • ノイズを抑制し、精度の向上と変動の低減を実現
  • 標準的なマイコンの電圧レベルを使用したトランスデューサ用の 3V 駆動機能
  • 材料と組成分析にまで拡張可能
  • 時間の経過にわたるメーター診断に関する追加機能
    • トランスデューサの経年劣化によるエンベロープの低速の変動を検知、トランスデューサ間の共振周波数の変動を調整
    • 製品の寿命全体にわたり定期的なキャリブレーションが不要

超音波センシング・ソリューションのアナログ・フロント・エンド(AFE)

超音波センシング・サブシステムのペリフェラルは、インピーダンス整合用の PHY を内蔵した、広範囲のトランスデューサを直接励起できる統合型アナログ・フロント・エンドです。また、プログラマブル・ゲイン・アンプ(PGA)を内蔵し、リアルタイムに波形をキャプチャできる高速の 8MSPS デルタ・シグマ ADC を受信部に備えています。  

超音波アナログ・フロント・エンドの図

超音波センシング AFE の特長

  • さまざまなトランスデューサに直接接続可能なインターフェイス
  • 広範囲のトランスデューサに向けたプログラマブルなパルス励起
  • トランスデューサのインピーダンス整合用 PHY
  • プログラマブル・ゲイン・アンプ(PGA)による最大 35db の信号増幅
  • 高速の統合型 8MSPS デルタ・シグマ A/D コンバータ(ADC)を使用したリアルタイム波形キャプチャ

TI の最新の超音波センシング SoC を使用して開発を開始

超音波センシングと測定向けの統合型 SoC

独自の高速 ADC ベースの超音波センシング技術 

  • 高精度、高精度の測定 

  • 低消費電力(最大 3μA)により、水道流量 1 測定/秒 

  • 少ない流量の検出(<1L/時) 

超音波デザイン・センター

超音波センシングの開発すべてに対応

超音波方式のガス測定の評価モジュール

超音波トランスデューサに簡単に接続できるインターフェイス

  • 機能を追加する BoosterPack™ コネクタ:RF、バッテリ管理、温度測定など

  • 消費電力分析と LCD ディスプレイ機能 

  • オンボードのプログラミングとデバッグ

信号処理マイコン

TI(テキサス・インスツルメンツ)の低エネルギー・アクセラレータ(LEA)モジュールは、FIR、IIR、FFT などのベクトル・ベースの信号演算が関係する処理を実行する 32 ビット・ハードウェア・エンジンです。この処理は CPU の介在なしで実行され、処理が完了すると割り込みがトリガされます。LEA モジュールは CPU が発行する複数のコマンドをサポートしており、CMSIS DSP ライブラリを実行する Arm Cortex-M0+ マイコンの最大 40 倍高速で、エネルギー消費量を最小限に抑えながら、ベクトル算術演算を実行します。

低エネルギー・アクセラレータの図

信号処理マイコンの利点

  • 32 ビットのハードウェア・エンジン
  • CPU の介在なし - 処理が完了すると割り込みをトリガ
  • ベクトル・ベースの信号処理:FIR、IIR、FFT
  • 実数および複素領域の双方で 16 ビットと 32 ビットの固定小数点動作をサポート

回転式流量センシング SoC

従来型の機械技術を使用した水道、ガス、および熱量メーターは、流量に比例する速度で回転する羽根車に基づいて流れを判定します。拡張型のスキャン・インターフェイス(ESI)は、MSP430FR6989 マイコン・ファミリに搭載されたアナログ・フロント・エンド(AFE)です。センサの線形動作または回転動作を、可能な限り低い消費電力で自動的に測定します。 

拡張型のスキャン・インターフェイスの図

回転式流量センシング SoC の利点

  • 動作時間のキャリブレーションやセンサの検出などを可能にする堅牢なステート・マシン
  • 誘導性センサ(LC)、ホール・エフェクト・センサ、磁気抵抗性センサ(GMR および TMR)、光学トランスデューサなど、さまざまなセンサに直接接続可能なインターフェイス 
  • 流量の広いダイナミック・レンジ全体で線形動作または回転動作を正確に測定
  • CPU を介さずにセンサが機能し、最小の消費電力で測定値を提供

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