CN101252367A - 无线传输手动脉冲发生器的低功耗实现方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业计算机控制领域工作于ISM频段的无线传输手动脉冲发生器(下称WMPG)的低功耗实现方法和装置。方法包括步骤：WMPG采用动态频点选择与直接序列扩频(DSSS)相结合的方式进行高可靠性通信；在未检测到“用户使用”状态时，WMPG关闭输入部件供电，并低速接收数控设备对端发送的周期无线广播信标；在检测到“用户使用”状态时，WMPG快速恢复输入部件供电，并将用户输入进行增量编码并发送；WMPG如果超时未收到周期广播信标，则关闭输入部件供电并启动低功耗场强检测模式。本发明的技术效果在于：采取了低功耗实现方式，不需频繁更换电池或者对可充电电池频繁充电；能对用户使用状态进行自动检测和切换，传输速度快且传输可靠。

Description

无线传输手动脉冲发生器的低功耗实现方法和装置

技术领域

本发明涉及计算机程序控制系统，尤其涉及在工业计算机数字控制领域采用无线传输方式的手动脉冲发生器设备满足实际应用的低功耗实现方法和装置。

背景技术

手动脉冲发生器(以下简称MPG)是工业计算机控制领域常用的人机输入设备，其核心部件为旋转编码器以及与之有关的设定和配置旋钮。MPG与工业控制计算机一般采用电缆传输，接口信号为单端电压或差分类型的电压。

无线传输手动脉冲发生器(以下简称WMPG)是相对于有线传输MPG的替换产品，通过无线方式传递用户输入信息至数控设备，能够方便中型、大型数控设备的远程用户界面输入操作，避免固定长度电缆连接对数控设备操作的影响和使用距离限制。

美国专利US 5,247,295公开了一种采用调频无线方式传输的WMPG实现方法和装置，其通过对旋转编码器进行绝对时间编码、FM调制解调器、可用信道选择和编码内容校验等手段联合实现与有线连接MPG设备相近似的性能，并同时获得无线连接带来的移动便利。

由于不能采用有线方式直接供电，WMPG设备必须采用一次电池或充电电池方式工作。上述美国专利公开的WMPG体系结构，与现有MPG设备相比增加了无线收发前端、基带调制解调和微控制器部分。数字控制器件功耗随着数字集成电路设计和制造工艺进步而不断降低，目前100微安/百万条指令/秒(μA/MIPS)的高性能超低功耗微控制器可以非常低廉的价格获得。但无线收发前端和基带调制解调部分一般采用数模混合工艺制造，并受限于应用现场所需的发射功率、传输距离和接收灵敏度等要求，因此使用功耗远远高于通用数字控制器件。

另外，旋转编码器为满足响应速度和分辨率要求也需要100毫安左右的静态电流消耗。以WMPG内部静态电流消耗是100毫安为例：采用2000毫安小时、3.0V高能电池或可充电电池，WMPG连续工作20小时后就需要更换电池或重新充电。如果WMPG的平均电流消耗减少到1/20，则电池的使用时间可以扩展近20倍。

上述美国专利并未涉及WMPG内部与无线传输方式相匹配的低功耗实现。如果不能有效控制WMPG设备的功耗，频繁更换电池或对可充电电池的频繁充放电会增加用户使用成本，从而抵消WMPG的应用优势。

WMPG设备作为人机界面输入设备，必须保证响应速度快和无线信息传输可靠。上述美国专利使用了电源开关控制WMPG的电源，用户在使用后及时关闭WMPG电源以降低功耗。对于内含数字控制器的设备这种采用手动方式干预并非最优的实现方法。WMPG设备应该充分利用数字控制器的智能化特点，对用户的使用状态进行自动检测和切换。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处而提出一种既能保证无线连接便利性，又能显著降低功耗的无线传输手动脉冲发生器的实现方法和装置。

本发明解决所述技术问题可以通过采用以下技术方案来实现：

提出一种无线传输手动脉冲发生器的低功耗实现方法，包括以下步骤，

①无线传输手动脉冲发生器与位于数控设备一侧的无线传输手动脉冲发生器数控设备对端在ISM频段进行无线通信；

②所述数控设备对端通过数控设备供电，周期发送广播信标，如果用户关闭所述数控设备，则该数控设备对端因断电而不再继续发送广播信标；

③所述无线传输手动脉冲发生器接收所述广播信标，如果超过设定时间未收到所述广播信标，该无线传输手动脉冲发生器则关断其输入部件旋转编码器的供电，并启动低功耗信标场强检测模式；

④如果所述无线传输手动脉冲发生器检测到的广播信号场强大于预设门限值，则启动扫描所述广播信标并进行接收；

⑤所述无线传输手动脉冲发生器检测用户使用状态，如果检测到用户使用状态信号，则快速恢复其输入部件旋转编码器供电，并将用户输入信息进行增量编码病发送；

⑥所述无线传输手动脉冲发生器如果未检测到用户使用状态信号，则关断其旋转编码器的供电，兵低速接收所述数控设备对端(200)发送的无线广播信标。

本发明解决所述技术问题可以通过采用以下技术方案进一步实现：

设计、制作一种无线传输手动脉冲发生器的低功耗实现装置，包括无线传输手动脉冲发生器和与之无线通信连接的数控设备对端，所述无线传输手动脉冲发生器包括智能控制装置、旋转编码器、无线接口和电池，所述旋转编码器、无线接口均分别与智能控制装置和电池电连接，智能控制装置和电池电连接；所述数控设备对端包括智能控制装置和无线接口；所述无线传输手动脉冲发生器还包括场强检测装置和用户使用状态检测装置，该场强检测装置和用户使用状态检测装置均分别与智能控制装置和电池电连接；所述数控设备对端还包括与其智能控制装置电连接的信标广播装置。

同现有技术相比较，本发明的技术效果在于：本发明采取了与无线传输方式相匹配的低功耗实现，不需频繁更换电池或者对可充电电池频繁充电。并且，本发明能对用户使用状态进行自动检测和切换，传输速度快且传输可靠。

附图说明

图1为本发明低功耗实现装置的WMPG的原理框图。

图2为本发明的无线传输手动脉冲发生器数控设备对端(以下简称WMPG-PEER)的原理框图。

图3为本发明方法中信标有关时序和内部构成图。

图4为本发明装置的增量编码装置的功能框图。

图5为本发明装置的场强检测装置的功能框图。

图6为本发明装置的用户使用状态检测装置的功能框图。

图7为本发明装置的外供电源检测装置的功能框图。

具体实施方式

以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述。

本发明无线传输手动脉冲发生器的低功耗实现方法，如图1和图2所示，包括以下步骤，

①WMPG 100与位于数控设备一侧的WMPG-PEER 200在ISM频段进行无线通信；

②所述WMPG-PEER 200通过数控设备供电，周期发送广播信标，如果用户关闭所述数控设备，则该WMPG-PEER200因断电而不再继续发送广播信标；

③所述WMPG 100接收所述广播信标，如果超过设定时间未收到所述广播信标，该WMPG 100则关断其旋转编码器，进入待机状态，并以间隔周期T_RSSI检测广播信标场强，每次连续检测时间大于等于所述广播信标的周期T_BPP，所述间隔周期T_RSSI大于所述每次连续检测时间。此时WMPG 100关闭旋转编码器电源并进入待机状态，从而使整机功耗处于较低的水平，此时无线传输功耗为：

④如果WMPG 100检测到的广播信号场强大于预设门限值，则启动扫描所述广播信标并以周期T_SS进行接收；每次接收的时间为T_BPL，其中T_SS＞T_BPP。WMPG在每次接收完成后均应使内部可编程上行发送定时器起始时间同步于广播信标发送时间。此时WMPG进入激活状态，但旋转编码器电源仍保持关闭，从而使整机功耗处于较低的水平，此时功耗为：

⑤在激活状态，所述WMPG 100检测用户使用状态，如果检测到用户使用状态信号，则使能其旋转编码器，接收用户输入的旋转编码器数据，通过与广播信道对应的上行无线信道发送启动命令包。WMPG仅对两次上行无线信道响应成功间隔内用户新输入数据进行增量编码和发送，编码后通过与广播信标对应的上行无线信道发送的数据包长度为T_TPL，发送周期为T_BPP。通过尽量减少无线信道传输的数据包的长度，可以缩短无线发射机的工作时间，从而达到降低WMPG运行功耗的目的，此时平均功耗为：

⑥所述WMPG 100处于激活状态，如果未检测到用户使用状态信号，则关断其旋转编码器，同时向所述数控设备对端200发送结束命令包。

WMPG 100与WMPG-PEER 200采用基于ISM频段动态频率选择的直接序列扩频DSSS通信方式，以便同时满足对ISM频段其他无线信号抗干扰性，也能够对存在多个WMPG和WMPG-PEER通信对的局部地理位置进行自动频率选择和协调。

WMPG 100如果检测到当前通信信道存在干扰而使得单位时间内的平均误帧率超过门限FER_TH，则向WMPG-PEER200发起信道切换请求以切换至新的信道，新信道的选择依据以WMPG 100位置和WMPG-PEER 200位置干扰信号场强平均最小为协商依据。这要求WMPG和WMPG-PEER周期扫描和排序ISM频段其他通信信道的干扰信号电平和类型，以便确定切换条件下的合理目标信道选择。

WMPG-PEER成功收到正确的WMPG上行无线信道发送数据包后，在间隔周期为T_BPP的下一个广播信标中进行确认。如果WMPG-PEER没有正确接收，则需要WMPG在下一个广播信标中继续发送，并且发送的编码数据中应包含旋转编码器新产生的数据。如果多次发送不成功而导致的累积数据长度超过门限MSG_MAX或超过时间T_RETRY，则发送失败并清除发送数据内容。

WMPG检测到电池电量低于门限值V_TH时应提示用户，并且在实际V_TH的选取上应该保证电池剩余容量仍能够支持WMPG设备当天使用时间。

WMPG检测到当前外部电源存在状态时，关闭无线接口和旋转编码器供电，以减少不必要的电源消耗和无线环境干扰，同时使能辅助通信信道。WMPG-PEER检测到当前WMPG处于外部电源供电状态时，关闭无线接口电路，以减少不必要的电源消耗和无线环境干扰，同时使能辅助通信信道。WMPG-PEER通过辅助通信接口可以与WMPG建立通信，将相关内部协调参数传递给WMPG；WMPG也可以通过辅助通信接口将内部信息发送给WMPG-PEER以方便安装和维护。

本发明无线传输手动脉冲发生器的低功耗实现装置，如图1和图2所示，包括WMPG100和与之无线通信连接的WMPG-PEER 200，WMPG 100包括智能控制装置105、旋转编码器107、无线接口101和电池110，所述旋转编码器107、无线接口101均分别与智能控制装置105和电池110电连接，智能控制装置105和电池110电连接；WMPG-PEER 200包括智能控制装置207和无线接口202。所述无线传输手动脉冲发生器100还包括场强检测装置103和用户使用状态检测装置112，该场强检测装置103和用户使用状态检测装置112均分别与智能控制装置105和电池110电连接；所述数控设备对端200还包括与其智能控制装置207电连接的信标广播装置201。

WMPG还包括与其智能控制装置105电连接的外供电源检测装置109，所述无线传输手动脉冲发生器100和数控设备对端200分别包括辅助通信装置113、208，所述各辅助通信装置113、208分别与无线传输手动脉冲发生器100和数控设备对端200的智能控制装置电连接。所述辅助通信装置113、208用于在WMPG由WMPG-PEER设备外部供电条件下，双方建立的本地非无线通信链路，以便在低干扰条件下进行双方智能控制器之间的可靠信息交换。外供电源检测装置109判断WMPG目前正在充电而非用户使用状态，可用减少不必要的功耗和无线信号发射，该判断结果同时作为WMPG和WMPG-PEER之间的辅助通信的使能信号。

WMPG还包括与其智能控制装置105电连接的信道同步装置110。用于接收WMPG-PEER设备在T_BPP时间点发送的广播信标数据包，并使内部可编程上行发送定时器起始时间同步于广播信标发送时间。此装置应该使WMPG的无线接收通道仅仅在信标广播时间内打开，发送完成后的其他时间关闭以降低功耗；也应该使WMPG的无线发射通道仅在上行发送定时器超时条件下打开，发送完成后的其他时间关闭以降低功耗。

WMPG还包括增量编码装置106，该增量编码装置106分别与所述旋转编码器107和智能控制装置105电连接。用于对两次上行无线信道响应成功间隔内用户新输入数据进行增量编码，通过产生短编码数据以降低无线通信功耗。

本发明装置包括ISM频段直接序列扩频DSSS收发装置，分别位于WMPG和WMPG-PEER的无线接口侧。采用直接序列扩频方式的无线收发信机，能够充分满足对ISM公共频段内带内干扰信号抗干扰能力和低功率谱密度发射信号对其他通信设备低干扰要求。还包括动态频段选择装置，分别位于WMPG和WMPG-PEER的无线接口侧。该动态频段选择装置根据当前信道通信质量动态选择合适的ISM内部其他工作频段，以避开过强的外部干扰信号和动态协调局部地理位置共享ISM频率资源的使用。

图1的WMPG是基于嵌入控制器的智能控制系统。无线接口101包含了美国专利5,247,295中无线传输用射频接收机、射频发射机、调制器和解调器功能，智能控制单元105根据设备的不同工作模式，可以通过电源分配控制装置108分别关闭无线接口101指定功能单元的供电。

场强检测装置103配合无线接口101内部的射频接收机工作，可以提供对WMPG-PEER的无线广播信标的检测，此时关闭无线接口101内部的射频发射机、ISM频段DSSS调制器和解调器功能以降低无线接口功耗。

信道同步装置102配合无线接口101内部的射频接收机、ISM频段DSSS解调器工作，可以使WMPG侧智能控制装置105得到无线广播信标内含的定时和数据，从而通过无线接口101内部的射频发射机、ISM频段DSSS调制器可以在上行无线信道向WMPG-PEER发送来自于增量编码装置106的用户输入数据。

增量编码装置106对来自旋转编码器107的用户输入进行编码处理，仅当用户输入发生变化时才有数据输出。

如果智能控制装置105通过用户使用状态检测装置112输出的状态判断用户准备利用旋转编码器107输入，则提前通过电源分配控制108打开旋转编码器107的供电；如果智能控制装置105通过用户使用状态检测装置112输出的状态判断用户停止利用旋转编码器107输入，则通过电源分配控制108打开旋转编码器107的供电。

WMPG内部智能控制装置105在运行过程中不断检测电池110的剩余电量。当电池110的剩余电量低于预先设定的门限时，智能控制装置105应利用告警指示111提示用户在使用完成后进行充电或更换电池操作。

当WMPG内部智能控制装置105利用外部电源检测装置109检测到存在外部电源时，会通过电源分配控制装置108关闭除辅助通信装置113以外的其他外围部件供电。WMPG利用辅助通信装置113与WMPG-PEER通信时采用外部电源供电。对于电池110类型为充电电池的情况，智能控制装置105会对电池充电情况进行监测，并利用告警指示111进行响应状态指示。

图2的WMPG-PEER设备也包含了与WMPG类似的智能控制控制装置207和无线接口202。信标广播装置201用于周期产生信标数据包301和对无线接口202内部收发通道的定时控制：信标数据包301准备发送时，信标广播装置201控制使能无线接口202内部的发射机通道和ISM频段DSSS调制器；信标数据包301发送完成后，信标广播装置201控制使能无线接口202内部的接收机通道和ISM频段DSSS解调器，以便对于WMPG发送的编码数据包302进行接收。

WMPG-PEER内部智能控制装置207提取无线信道接收到的WMPG编码数据并将其送入脉冲信号产生器204。脉冲信号发生器204对于送入的WMPG编码数据进行与增量编码装置6对应的逆变换，输出的脉冲波形经过接口类型适配205变换后送给数控设备。

WMPG-PEER内部智能控制装置207会利用WMPG检测209功能持续对WMPG是否采用外供电源状态进行检测。当检测到WMPG利用外供电源203进行供电时，WMPG-PEER内部智能控制装置207会关闭信标广播装置201和无线接口202，而采用辅助通信装置208与WMPG进行通信。当智能控制装置207未检测到WMPG利用外供电源203进行供电时，使能信标广播装置201和无线接口202，而关闭辅助通信装置208。

图3给出信标数据包301时序和内部构成实例。位同步域303用于解调并使WMPG与WMPG-PEER建立时钟同步。帧同步域304用于提供数据包开始的指示，以便WMPG确定编码数据包302的准确发送时间。设备同步域305用于标识通信双方的设备。编码数据域可以用于WMPG-PEER向WMPG的应用内容。

图4给出WMPG核心的增量编码装置6的功能实现。旋转编码器7的输出分别送入事件计数器602和方向检测器603，事件计数器602可以对旋转编码器601输出脉冲的事件进行递增计数，方向检测器603可以判断旋转编码器601的旋转方向。使能信号606有效时事件计数器602和方向检测器603才能够进入工作状态，复位信号605用于使事件计数器602输出为0。触发器604在采样信号607有效时，将来自事件计数器602和方向检测器603的采样输入作为增量编码数据输出。

图5的场强检测装置3可以在仅使能射频接收机通道条件下，以较低的功耗对脉冲方式发射的广播信标无线信号存在进行初步检验和判断，进而使得有目的的启动ISM扩频解调通道进行处理。来自天线的广播信标无线信号为工作频段上的脉冲波形，经过射频前端收通道301放大后，再由频率选择302滤除带外干扰，经过功率检测303转换为电压脉冲。脉宽滤波304对来自功率检测303的脉冲电压进行滤波处理，处理后的结果送给智能控制装置105做进一步判断。脉宽滤波304应该具备于广播信标长度匹配的时间常数，以排除由于干扰脉冲或连续干扰信号导致的误判。

用户使用状态检测能够使得WMPG有效降低人机交互部件有关的功率消耗，图6为利用现有MPG的使能开关实现的用户使用状态检测实例。WMPG内部智能控制装置105通过按键扫描602对使能按键601进行周期扫描，可以得到用户使用状态指示。

图7是WMPG和WMPG-PEER对于外供电压检测实现的实施例，充电接口703用于双方的电源互连。WMPG-PEER设备利用串接再电源输出706回路中的电流检测单元704的输出判断是否存在外接WMPG而产生的电流。WMPG设备利用安装在充电接口的电压检测702给出是否存在外部供电电压指示信号705。

关于本说明书中出现的英文缩写的全称及中文含义具体如下：

ISM-Industrial Scientific Medical，工业科学和医疗频段或称为免费频段

RSSI-Radio Signal Strength Indication，场强指示

BPP-Beacon Packet Period，信标数据包周期

SS-Synchronization scan，同步扫描

BPL-Beacon Packet Length，信标数据包长度

DSSS-Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频

FER-Frame Error Rate，帧误码率

TH-threshold，门限

MPG-Manual Pulse Generator，手动脉冲发生器

WMPG-Wireless Manual Pulse Generator，无线传输手动脉冲发生器

MIPS-Million instructions per second，每秒百万条指令

TPL-Traffic Packet Length，业务数据包长度

MSG-Message，消息

Claims (13)

1. 一种无线传输手动脉冲发生器的低功耗实现方法，包括以下步骤，

①无线传输手动脉冲发生器(100)与位于数控设备一侧的无线传输手动脉冲发生器数控设备对端(200)在ISM频段进行无线通信；

其特征在于：还包括步骤

②所述数控设备对端(200)通过数控设备供电，周期发送无线广播信标；

③所述无线传输手动脉冲发生器(100)接收所述无线广播信标，如果超过设定时间未收到所述数控设备对端(200)发送的无线广播信标，该无线传输手动脉冲发生器(100)则关闭其输入部件的供电，并启动低功耗广播信标场强检测模式；

④如果所述无线传输手动脉冲发生器(100)检测到的广播信标场强大于预设门限值，则启动扫描所述广播信标并进行接收；

⑤所述无线传输手动脉冲发生器(100)检测用户使用状态，如果检测到用户使用状态信号，则快速恢复所述输入部件供电，并将用户输入信息进行增量编码并发送；

⑥所述无线传输手动脉冲发生器(100)如果未检测到用户使用状态信号，则关闭所述输入部件的供电，并低速接收所述数控设备对端(200)发送的无线广播信标。

2. 如权利要求1所述的无线传输手动脉冲发生器的低功耗实现方法，其特征在于：还包括以下步骤：所述无线传输手动脉冲发生器(100)检测是否存在外部电源，如果存在外部电源，则关闭其无线接口和旋转编码器，同时使辅助通信信道开始工作。

3. 如权利要求1所述的无线传输手动脉冲发生器的低功耗实现方法，其特征在于：步骤③中，所述无线传输手动脉冲发生器(100)以间隔周期T_RSSI检测广播信标场强，每次连续检测时间大于等于所述广播信标的周期T_BPP，所述间隔周期T_RSSI大于所述每次连续检测时间。

4. 如权利要求1所述的无线传输手动脉冲发生器的低功耗实现方法，其特征在于：步骤④中，所述无线传输手动脉冲发生器(100)以周期T_SS持续接收所述广播信标，每次接收的时间为T_BPL，其中，周期T_SS大于每次接收的时间为T_BPL，该无线传输手动脉冲发生器(100)在每次接收完成后均应使内部可编程上行发送定时器起始时间同步于广播信标发送时间。

5. 如权利要求1所述的无线传输手动脉冲发生器的低功耗实现方法，其特征在于：步骤⑤中，所述无线传输手动脉冲发生器(100)对两次上行无线信道响应成功间隔内用户新输入数据进行增量编码。

6. 如权利要求1所述的无线传输手动脉冲发生器的低功耗实现方法，其特征在于：所述无线传输手动脉冲发生器(100)与所述数控设备对端(200)采用直接序列扩频DSSS方式进行通信。

7. 如权利要求1所述的无线传输手动脉冲发生器的低功耗实现方法，其特征在于：所述无线传输手动脉冲发生器(100)如果检测到当前通信信道存在干扰而使得单位时间内的平均误帧率超过门限FER_TH，则向所述数控设备对端(200)发起信道切换请求以切换至新的信道，新信道的选择依据以所述无线传输手动脉冲发生器(100)位置和所述数控设备对端(200)位置干扰信号场强平均最小为协商依据。

8. 一种无线传输手动脉冲发生器的低功耗实现装置，包括无线传输手动脉冲发生器(100)和与之无线通信链接的数控设备对端(200)，所述无线传输手动脉冲发生器(100)包括智能控制装置(105)、旋转编码器(107)、无线接口(101)和电池(110)，所述旋转编码器(107)、无线接口(101)均分别与智能控制装置(105)和电池(110)电连接，智能控制装置(105)和电池(110)电连接；所述数控设备对端(200)包括智能控制装置(207)和无线接口(202)，其特征在于：

所述无线传输手动脉冲发生器(100)还包括场强检测装置(103)和用户使用状态检测装置(112)，该场强检测装置(103)和用户使用状态检测装置(112)均分别与智能控制装置(105)和电池(110)电连接；所述数控设备对端(200)还包括与其智能控制装置(207)电连接的信标广播装置(201)。

9. 如权利要求8所述的无线传输手动脉冲发生器的低功耗实现装置，其特征在于：所述无线传输手动脉冲发生器(100)还包括与其智能控制装置(105)电连接的外供电源检测装置(109)，所述无线传输手动脉冲发生器(100)和数控设备对端(200)分别包括辅助通信装置(113、208)，所述各辅助通信装置(113、208)分别与无线传输手动脉冲发生器(100)和数控设备对端(200)的智能控制装置电连接。

10. 如权利要求8所述的无线传输手动脉冲发生器的低功耗实现装置，其特征在于：所述无线传输手动脉冲发生器(100)还包括与其智能控制装置(105)电连接的信道同步装置(110)。

11. 如权利要求8所述的无线传输手动脉冲发生器的低功耗实现装置，其特征在于：所述无线传输手动脉冲发生器(100)还包括增量编码装置(106)，该增量编码装置分别与所述旋转编码器(107)和智能控制装置(105)电连接。

12. 如权利要求8所述的无线传输手动脉冲发生器的低功耗实现装置，其特征在于：还包括ISM频段直接序列扩频DSSS收发装置，分别位于所述无线传输手动脉冲发生器(100)和数控设备对端(200)的无线接口侧。

13. 如权利要求8所述的无线传输手动脉冲发生器的低功耗实现装置，其特征在于：还包括动态频段选择装置，分别位于所述无线传输手动脉冲发生器(100)和数控设备对端(200)的无线接口侧。

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