CN101520336B - 纳安级微功耗表头数据采集装置 - Google Patents

纳安级微功耗表头数据采集装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机械式流量表数据自动采集装置。本发明针对现有技术的表头数据采集装置功耗大，易受外磁场干扰的缺点，公开了一种采用干簧管进行表头数据采集的纳安级微功耗表头数据采集装置。本发明的技术方案是，纳安级微功耗表头数据采集装置，包括与微处理器连接的传感器，所述传感器包括第一干簧管，所述第一干簧管具有单刀双掷开关结构，其两个开关触点分别连接高电平和低电平，并通过输出端向微处理器输出相应电平信号。本发明用于机械式流量表的数据采集，可以实现采集电路的零功耗，从而降低整个装置的功率消耗；进一步采用双干簧管加磁屏蔽板的结构，提高了抗干扰能力；再配以极低功耗的微处理器，能够实现纳安级的微功耗表头数据采集处理。

Description

纳安级微功耗表头数据采集装置
技术领域
本发明涉及数据采集处理技术，特别涉及机械式流量表数据自动采集装置。
背景技术
机械式流量表，包括燃气表、水表等，其计数原理是利用气体或液体的流动带动计数轮转动进行计数的。要实现远程自动抄表，需要将计数轮的转动转换成电信号，除了必须保证表头数据采集的准确性外，由于是嵌入表头内部的微型装置，低功耗是必须达到的指标。这是一个艰巨的任务，众多开发人员为此进行了各种尝试和努力，但至目前为止，尚未真正从实用角度解决好这一难题。
以燃气表头为例，其基本结构包括计数基轮以及若干(一般6个以上)计数轮盘，燃气流动带动计数基轮转动，各个计数轮盘按照一定的转速比转动，对用气量进行计数并显示数字。目前，远程抄表系统的数据采集装置一般由传感器、微处理器及其外围电路构成。传感器对表头数据进行采集并将采集的数据输入微处理器，由微处理器进行记录、累加和编码传输。数据传感器常用的有光电传感器、磁敏传感器等。光电传感器的工作原理，是在每个计数轮盘上读数标记位置加装一发光二极管，每个计数轮盘还需加装一个数码盘，用以实现计数轮盘读数的光信号转换，在需要抄表的时候，再对光电转换电路供电，完成表头读数的采集。磁敏传感器的工作原理主要是通过安装在燃气表头上的诸如干簧管等磁敏元器件，检测计数齿轮转动时产生的磁变化信号，根据计数齿轮转动的频率产生脉冲，完成计数。
采用光电传感器的计数装置有如下缺点：
由于目前天然气基表一般在六位以上(含小数位)，要完成模拟量到数字量的光电转换，每个计数轮盘上均要安装多个发光二极管与该计数轮盘的各个不同量值相对应，传感器结构非常复杂。在这样的采集装置中，如果有一个发光二极管失效，势必带来整个系统的失效，造成了系统的不可靠。同时，由于光电直读模式在读取数据的时候，将同时驱动众多的发光二级管，即使采用超低功耗的发光二级管，其消耗功率也远远达不到低功耗的要求。
采用干簧管数据采集装置的缺点是：
现有技术的干簧管数据采集电路如图1所示。干簧管T为单刀单掷开关，干簧管T的输出端A连接微处理器M的I/O口，干簧管T的开关触点B接地。在计数基轮上嵌入一块永磁体，当计数基轮转动时，传感磁场的作用使干簧管T接通和断开。干簧管T接通时，输出端A为低电平，断开时输出端A为高电平，这样完成数据采集过程。虽然目前的集成电路技术，已经发展到使微处理器，特别是极低功耗微处理器(Ultra-Low-Power Microcontroller)的高阻抗I/O口消耗功率(I/O口灌入电流或拉出电流)，可以忽略不计的程度，但是由图1可以看出，当输出端A为低电平(干簧管T接通)时，流经电阻R到地的电流(I＝Vcc/R)将带来功率损耗。由于表头数据采集这类电路中，干簧管动作频繁，上述功率损耗将是可观的，特别是对于采用纽扣电池供电的干簧管数据采集装置，降低功率损耗就显得更加重要。另一方面，由于干簧管的动作是基于磁场的作用，非常容易受到外磁场的干扰，从而影响数据采集的准确性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术的表头数据采集装置功耗大，易受外磁场干扰的缺点，提供一种采用干簧管进行表头数据采集的纳安级微功耗表头数据采集装置。
本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，纳安级微功耗表头数据采集装置，包括与微处理器连接的传感器，其特征在于，所述传感器包括第一干簧管，所述第一干簧管具有单刀双掷开关结构，其两个开关触点分别连接高电平和低电平，并通过输出端向微处理器输出相应电平信号。
本发明的有益效果是，采用具有单刀双掷开关结构的干簧管，可以实现采集电路的零功耗，从而降低整个装置的功率消耗；进一步采用双干簧管加磁屏蔽板的结构，可以提高装置的抗干扰能力；再配以极低功耗的微处理器，能够实现纳安级的微功耗表头数据采集处理。
附图说明
图1是现有技术电路示意图；
图2是本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明通过改进干簧管的结构，配合极低功耗微处理器的省电模式，大大地降低了数据采集装置的功耗。
实施例
如图2所示，本例微处理器40选用德州仪器(Texas Instruments)的极低功耗微处理器，其型号为MSP430F123，是一种16位RISC微处理器，具有技术成熟，功耗低的特点。该微处理器具有多种省电模式，当处于活动模式下，微处理器处于活动状态，主系统时钟工作，子系统时钟工作，辅助时钟工作，各功能模块均处于活动状态，功耗相对较大，此模式下的损耗为百微安量级的电流；当处于待机模式下，微处理器处于禁止状态，停止工作，主系统时钟被禁止，子系统时钟被禁止，数字控制振荡器、直流发生器均被禁止，但辅助时钟在工作，此模式下的损耗为1微安量级的电流；当处于深度睡眠模式下，微处理器处于禁止状态，所有振荡器停止工作，数字控制振荡器、直流发生器均被禁止，连辅助时钟也停止了工作，此模式下的损耗电流在数十纳安以下。根据数据采集的特点，在数据采集过程中合理使用省电模式，仅在干簧管动作时唤醒处于深度睡眠状态的微处理器，瞬间完成计数和处理，可以降低数据采集装置的功耗。
本例传感器由第一干簧管11和第二干簧管12构成，两只干簧管均采用单刀双掷开关结构，其输出端A分别通过限流电阻41、限流电阻42与微处理器40的两个I/O口连接，其开关触点B和开关触点C分别连接低电平(地G)和高电平(电源Vcc)。图2中第一干簧管11和第二干簧管12平行配置，磁屏蔽板20垂直于第一干簧管11和第二干簧管12所在平面且与两只干簧管平行，磁屏蔽板20与第二干簧管12的距离小于其与第一干簧管11的距离。磁屏蔽板20采用铁磁材料构成，磁屏蔽板20上安装了一块永磁体21，可以使磁屏蔽板20磁化，让第二干簧管12处于磁屏蔽板20磁化后的磁场中。在进行数据采集时，第一干簧管11用于计数，应置于传感磁场近端，即靠近计数基轮，让传感磁场处于图2上方。试验表明，这种配置结构，磁屏蔽板可保证两只干簧管始终遵循正确的逻辑时序。当计数基轮转动时，第一干簧管11的输出端A电平状态会发生相应变化，而第二干簧管12的输出端A电平状态保持不变。如果出现较强干扰磁场，一般是第二干簧管12先动作，通过软件设定，可以锁定电路，避免错误的数据采集。为了保证磁屏蔽效果，应选用面积较大的磁屏蔽板，使第二干簧管在磁屏蔽板上的投影面积小于磁屏蔽板的面。这种配置结构，还可以通过第二干簧管12对图2下方的磁场作出响应，完成其他功能。
本发明具有结构紧凑、体积微小的特点，整个装置(包括微处理器及其外围电路、传感器和钮扣电池)可以灌封成一个模块(其体积小于或等于70×20×7mm3)，使用时嵌入机械表中即可。该模块达到了纳安级功耗，使用自漏放率≤2％/年的普通纽扣电池，能稳定工作8～10年，无需任何后期的维护、保养。

Claims (5)

1.纳安级微功耗表头数据采集装置，包括与微处理器连接的传感器，其特征在于，所述传感器包括第一干簧管，所述第一干簧管具有单刀双掷开关结构，其两个开关触点分别连接高电平和低电平，并通过输出端向微处理器输出相应电平信号。
2.根据权利要求1所述的纳安级微功耗表头数据采集装置，其特征在于，还包括第二干簧管，所述第二干簧管具有单刀双掷开关结构，其两个开关触点分别连接高电平和低电平，并通过输出端向微处理器输出相应电平信号。
3.根据权利要求1或2所述的纳安级微功耗表头数据采集装置，其特征在于，所述微处理器为具有至少2种待机模式的极低功耗微处理器；所述极低功耗微处理器型号为MSP430F123。
4.根据权利要求3所述的纳安级微功耗表头数据采集装置，其特征在于，所述高电平为电源端，所述低电平为接地端。
5.根据权利要求1或2所述的纳安级微功耗表头数据采集装置，其特征在于，所述高电平为电源端，所述低电平为接地端。
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