CN101681552A - 适用于无线通信的处理测量仪器 - Google Patents
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Abstract
一种适用于无线通信的处理测量仪器，所述处理测量仪器包括：测量单元(7)，被配置为确定处理变量的测量值；存储器(21)，被配置为存储所述处理变量的当前测量值；无线通信单元(8)，被配置为访问所述当前测量值，并根据用于间歇激活通信的协议通过无线通信信道来传送所述当前测量值；以及仲裁逻辑(22)，与所述测量单元和所述无线通信单元通信，并被配置为确保所述测量单元的激活时段在所述无线通信未激活时出现。因此，测量单元和通信单元能够例如通过顺序的读取/写入访问经由共用存储器来共享信息。这避免了同时激活的需要。当仪器由例如电池的内部电力储备装置供电时，本发明由其有利，并延长这样的电力储备装置的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及适用于无线通信的处理测量仪器。
背景技术
在处理工业中，当前存在对于现场设备的无线连接性的工业推动，这带来了一些额外的挑战。
适用于无线通信的处理测量仪器通常包括：测量单元，负责获取处理变量的测量值，例如，储罐中的产品的高度；以及无线通信单元，负责外部通信。仪器典型地由具有通常为几年的最小寿命要求的内部电力储备装置(例如电池)来驱动。
为了在这种电池操作的装置中节约电力，从而延长它们的寿命，测量单元通常遵循激活和睡眠模式的独立工作周期。同时，无线通信单元通常间歇地操作，这通常是遵从基于例如TDMA的无线协议的结果。这可能导致在操作期间两个单元中没有任何一个单元、两个单元之一或两个单元同时激活的随机重叠。
其结果是，综合的功耗可能呈现出多个功耗极低的时段和多个功耗极高的时段，在功耗极低的时段中测量单元和通信单元都未激活，在功耗极高的时段中测量单元和通信单元都激活。这样的急剧变化的功耗对于实现长的电池寿命是不理想的，并且要求非常高的最大电源电流。
在依赖于RF和/或微波传输来进行测量处理的仪器中存在其它问题。这种测量仪器的例子是雷达液位计(radar level gauge，RLG)。在这种仪器中，当它们同时操作时，在RF模块(或微波模块)和无线通信模块之间存在相互电磁干扰(EMI)的电势。干扰可以在装置的封装/外壳内部传送，或者如果储罐不屏蔽辐射(例如，塑料储罐)的话通过环境来传送。
即使模块在不同的频率下运行，它们也通常必须彼此邻近地被集成，以便最小化形状因子，例如减小板面积或电子板的数量。这可能导致不合理的高模块化规格，所述规格要求使用非常昂贵的离散RF滤波器，所述离散RF滤波器也通过插入损耗和噪声因子使接收机性能劣化(它们通常被布置在任何增益级之前，并且因此对噪声因子具有较大影响)。
解决相互干扰问题的一个选择是配置根据公共时分方案来发射/接收的模块，在所述公共时分方案中一次仅激活一个模块。然而，这将需要通过公共控制应用对两个模块的操作进行某种同步控制。从集成的角度来看，这不是一个希望的要求，因为两个模块的发展步伐和起点遵循不同的设计路径。例如，雷达液位计模块是高度专门化的测量仪器，而无线通信模块却遵循快速但有时不确定的演化标准路径。
因此，优选的是以其单独的控制应用来操作各个模块，遵循分别优化的操作方案或协议。这需要在尝试解决上述问题时的不同方法。
此外，模块需要一些彼此通信的方式，因为由测量单元获得的测量结果要通过无线信道进行发射。这意味着至少当从测量单元向无线通信单元、例如串行链路传送当前测量值时的至少一些同步操作。
发明内容
因此，本发明的一个目的是减轻上述问题中的至少一些，并提供具有减小的功耗峰值，以及减少或消除电磁干扰(EMI)的无线处理测量仪器。
根据本发明的第一方面，这个目的和其它目的通过适用于无线通信的处理测量仪器来实现，所述处理测量仪器包括：测量单元，被配置为确定处理变量的测量值，所述测量单元具有包括激活时段和未激活时段的操作，所述激活时段具有比未激活时段更高的功耗。该仪器还包括：存储器，被配置为存储处理变量的当前测量值；无线通信单元，被配置为访问当前测量值，并根据用于间歇激活通信的协议，通过无线通信信道来传送当前测量值；仲裁逻辑，与测量单元和无线通信单元通信，并被配置为确保测量单元的激活时段在无线通信未激活时出现。
根据本发明的第二方面，这个目的和其它目的是通过用于传送来自测量单元的处理变量的测量值的方法实现的，所述测量单元被配置为确定测量值。测量单元具有包括激活时段和未激活时段的操作周期，所述激活时段具有比未激活时段更高的功耗。所述方法包括下述步骤：存储处理变量的当前测量值；访问存储的当前测量值；根据用于间歇激活通信的协议，通过无线通信信道来传送当前测量值；以及控制测量单元和无线通信，以确保测量单元的激活时段在无线通信未激活时出现。
因此，测量单元和通信单元能够例如通过顺序读取/写入访问，经由共用存储器来共享信息。这避免了对于同时激活的需要。仲裁逻辑确保了测量单元和无线单元的活动不重合，由此避免功耗尖峰和干扰。
通过避免通信单元和测量单元同时激活，可避免由电流-电压尖峰引起的信号干扰和电源噪声。这也要求来自电源的较低的最大电流。
当仪器由例如电池的内部电力储备装置供电时本发明尤其有利，并且延长了这种电力储备装置的寿命。
所提出的方案显然需要两个单元具有足够的未激活时段部分，以允许交织激活时段而没有综合延迟。然而，对于无线仪器通常是这种情况，因为间歇的操作是获得低功耗的有用方式。
仲裁逻辑可适用于延长任一单元的未激活时段(睡眠时段)，从而随后的激活时段被延迟，直到另一个单元为未激活。应注意，所述单元中的一个忍受其激活时段的禁止就足够了。延迟测量单元的激活时段是有利的，因为无线单元通常受无线通信协议的定时要求管理。例如，如果到无线信道的访问是基于TDMA的，则可能不能影响所安排的时隙。
根据一个实施例，每个测量周期都处于通信协议的激活时段的数量级，从而可在通信单元的每个激活时段期间完成一个测量周期(即，产生一个测量值)。对于TDMA，这将为1Hz的数量级。
可供替换地，测量单元的完整的测量周期可被分割为几个激活时段。这可能是必需的，例如，如果测量单元不能在无线单元的两个激活周期之间完成测量周期。
本发明可用于各种间歇测量仪器，例如无线压力发射机和液位计。
这对于使用电磁能量来执行测量的仪器，例如雷达液位计特别有用。
附图说明
现在，将参照示出了本发明的当前优选的实施例的附图更详细地描述本发明的这个方面和其它方面。
图1是根据本发明的一个实施例的雷达液位计量系统(RLG)的整体视图。
图2是图1的RLG的示意性框图。
图3是图2的框图的硅芯片实现方式的示意图。
图4是示例了根据本发明的实施例的仲裁的时间线。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一个实施例的雷达液位计(RLG)1的透视图。液位计1被配置为执行储罐5中的处理变量的测量，例如测量储罐5中的两种(或更多)材料3、4之间的界面2的高度L。通常，第一材料3是储罐中存储的容纳物，例如象汽油那样的液体，但也可检测例如谷物或颗粒物的非液体材料。第二材料4通常为存在于储罐中位于第一材料3上方的空气或某种其它气氛。RLG将能够检测到储罐中的界面2的距离d，并且该距离可用于计算高度L或感兴趣的某些其它处理变量。
应注意，不同的材料具有不同的阻抗，并且电磁波仅传播通过储罐中的某些材料。因此，通常仅测量第一界面的高度，或者如果顶层材料足够透明的话测量第二界面的高度。
RLG 1还包括微波发射机/接收机。如图1所示，所述发射机/接收机可以包括在储罐顶部的自由辐射天线6，或可供替换地，发射机/接收机可包括用作波导的钢管、或延伸到储罐中的发射探针(例如，同轴探针、单探针或双探针)。
RLG 1还包括测量单元7和通信单元8。在所示的例子中，RLG适用于通过无线链路9与外部控制系统10通信。为了该目的，通信单元8适用于使用适合的无线协议与接入点通信。
转到图2，以框图形式示出了RLG 1，测量单元7包括用于发射和接收电磁信号的收发机11、和用于控制收发机并基于发射的和接收的微波之间的关系确定测量结果的处理电路12。处理电路通常包括处理器13和用于存储要由处理器执行的软件的存储器14。
根据所示例的实施例，通信单元8包括通信电路15和收发机16。通信电路通常包括处理器17和用于存储要由处理器17执行的软件的存储器18。收发机16可以是GSM调制解调器，被配置为使用时分多址(TDMA)在GSM标准下通信。当然，同样可应用其它协议，例如Zigbee(IEEE 802.15.4)、无线HART(关注处理工业协议的Zigbee)、CDMA(码分多址)、UMTS(通用移动通信系统)、无线局域网(WLAN)、蓝牙等。
在使用中，测量单元7间歇地工作，并在被未激活时段分开的激活时段期间执行测量。测量周期，即产生一个测量结果的处理可在一个这样的激活时段内完成，或将其分割在几个激活时段中。在每个测量周期期间，处理电路12控制收发机11来产生并发射要通过发射机/接收机6被发射到储罐5中的测量信号。该信号可例如是脉冲信号(脉冲液位计量)或频率在特定范围内变化的连续信号(调频连续波，FMCW)，或用于储罐计量的任何其它合适的信号调制。在脉冲液位计量的情况下，由收发机11产生的信号可以是具有约2nm或更短的长度的DC脉冲，脉冲重复频率为1MHz的数量级，并且在4-11GHz频率(微波)的载波上被调制。平均输出功率电平可以在mW到μW的范围。发射机/接收机6用作适配器，使收发机11中产生的信号能够作为电磁波传播到储罐5中，所述信号可被材料3的表面反射。
收发机经由发射机/接收机12接收储罐信号，即发射信号与其回波的相关、或发射和反射信号的混合，并将其传送至处理电路20。处理电路20基于发射的和接收的波之间的关系来确定测量结果。
图2中的RLG 1还包括连接至测量单元7并且可从测量单元7进行访问的存储器21、以及使用合适的内部存储器访问通信协议的通信单元8。存储器具有必要的控制和用于存储来自测量单元的测量结果的数据区域，并使该结果可由通信单元获得。
仲裁逻辑22被配置为通过控制处理电路12和/或通信电路15和/或用于储罐计量的收发机/雷达中的睡眠定时器处理23、24来管理存储器访问。
RLG还包括内部电力储备装置26，例如电池或类似的装置。电力储备装置可以是可通过电源接口27(例如简单的电线或更精密的无线电源接口)再充电的。
存储器可被实现为分立的模块，例如双端口SRAM或非易失性存储器，或集成方案的一部分，例如使用芯片系统(SoC)中的DMA(直接存储器访问)通道。如图3所示，这样的集成方案可包括处理电路12、通信电路15、存储器21和的仲裁逻辑22。
在SoC实现中，储罐收发机/雷达控制电路12和通信收发机控制电路16通常经由连接不同模块的内部总线25共享对共用存储器21的访问。仲裁逻辑22通常为DMA(直接存储器访问)控制器，所述DMA控制器根据特定方案(例如，处理模块间的轮转)使每个处理模块访问存储器21。然后，存储器22包含不同时发射的测量值以及与其它模块共享的状态信息(例如，激活、睡眠信息)。
在操作期间，仲裁逻辑22确保测量单元7和通信单元8交替激活，并且一次一个地访问存储器。更具体地讲，仲裁逻辑22控制睡眠定时器处理23、24来保持测量单元7和通信单元8中的一个处于未激活状态(睡眠模式)，直到另一个单元完成了激活时段。在通信协议依赖于特定定时的情况下，例如当通信单元8被配置为使用TDMA协议进行通信时，通信单元8的睡眠时段不能由仲裁逻辑控制。而是，仲裁逻辑根据通信单元8的睡眠时段来控制测量单元7的睡眠处理23。
图4示例了简单的仲裁方案。此处，每个通信周期，即无线通信单元8的激活时段，由31表示，并且具有对分配的TDMA通信时隙足够的持续时间，此处，被示例为每个通信周期一个通信时隙。如图3所示，这种周期的重复频率可以为1Hz的数量级。在每个通信周期31之间，测量单元7是激活的，并且测量单元的至少一个完整的激活时段32在通信周期31之间发生。
对于雷达液位计，测量单元7的重复频率对于线路供电装置可以为10Hz的数量级，即，在两个连续的通信周期31之间将存在大约10个激活时段32，各自包括完整的测量周期。然而，对于电池供电的仪器可以长达每10分钟一次，以延长电池寿命。在图3中，为了清楚起见，仅示出了三个激活时段32。
测量单元在两个连续通信周期31之间至少一次，并且优选地对于每个激活时段32一次，获得对存储器21的访问，并在存储器21中存储测量结果。在通信周期31期间，通信单元8获得对存储器21的访问，并读取存储的结果。
原则上，在两个连续通信周期31之间执行一次测量，即一个测量周期就足够了。然而，在通信周期31之间执行几次测量是有原因的，例如，如果通信协议允许发送x个最新的测量值来控制高于通信更新速率的电平变化。这通过打包测量值和减小总协议开销节约了电力。此外，可使用几个测量值来确定平均测量结果，这可减小产生的结果的标准偏差。
应注意，测量单元7和/或通信单元8不一定必须在每个激活时段期间访问存储器21。相反，取决于完成一个完整的测量周期通信单元8所要求的重复频率和测量单元7所要求的时间，一些仪器可能需要几个激活时段来完成一次测量。同样，取决于通信协议，通信单元可能需要几个激活时段(即，几个通信周期31)来完成测量结果的通信。
本领域技术人员应认识到本发明决不限制于上面描述的优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内可进行许多修改和变形。例如，尽管参照雷达液位计描述了本发明的实施例，但这只是一个例子，并且许多其它处理仪器，例如压力计和其它计量装置可有利地具有本发明的实施例。
Claims (12)
1、一种适用于无线通信的处理测量仪器，所述处理测量仪器包括：
测量单元(7)，被配置为确定处理变量的测量值，所述测量单元具有包括激活时段(31)和未激活时段的操作，所述激活时段具有比所述未激活时段更高的功耗，
存储器(21)，被配置为存储所述处理变量的当前测量值，
无线通信单元(8)，被配置为访问所述当前测量值，并利用间歇激活通信根据协议通过无线通信信道来传送所述当前测量值，以及
仲裁逻辑(22)，与所述测量单元和所述无线通信单元通信，并被配置为确保所述测量单元的激活时段在所述无线通信未激活时出现。
2、根据权利要求1所述的处理测量仪器，其中所述仲裁逻辑(22)被配置为延长所述测量单元(7)的未激活时段，从而延迟随后的激活时段(31)，直到无线通信单元为未激活。
3、根据权利要求1所述的处理测量仪器，其中所述测量单元的测量周期被分为几个激活时段(31)。
4、根据权利要求1所述的处理测量仪器，其中所述仪器还包括内部电力储备装置(26)。
5、根据权利要求1所述的处理测量仪器，其中所述仪器还包括用于电源的无线接口(27)。
6、根据权利要求1所述的处理测量仪器，其中所述测量单元包括用于在所述激活时段期间发射电磁波的收发机(11)。
7、根据权利要求1所述的处理测量仪器，被配置为确定储罐(5)中的产品的高度(L)，所述仪器包括：
收发机(11)，用于发射和接收电磁信号，
传播装置(6)，被配置为允许发射的信号向所述表面传播，并使反射的信号返回收发机，以及
处理电路(12)，用于基于所述发射的信号和所述接收的信号之间的关系来确定所述测量值。
8、根据权利要求1所述的处理测量仪器，其中所述通信协议是时分多址(TDMA)协议。
9、一种用于传送来自测量单元(7)的处理变量的测量值的方法，所述测量单元(7)被配置为确定所述测量值，所述测量单元具有包括激活时段(31)和未激活时段的操作，所述激活时段具有比所述未激活时段更高的功耗，所述方法包括下述步骤：
存储所述处理变量的当前测量值，
访问存储的当前测量值，
利用间歇激活通信根据协议通过无线通信信道来传送所述当前测量值，以及
控制所述测量单元(7)和所述无线通信，以确保所述测量单元的激活时段在所述无线通信未激活时出现。
10、根据权利要求9所述的方法，其中所述控制步骤包括延长所述测量单元(7)的未激活时段，从而延迟随后的激活时段直到无线通信单元为未激活。
11、根据权利要求9所述的方法，其中所述测量单元的测量周期被分为几个激活时段。
12、根据权利要求9所述的方法，其中所述通信协议为时分多址(TDMA)协议。
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