CN102365848A

CN102365848A - 电子设备与能量表之间的串行数据信号的双向无线传输

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Publication number: CN102365848A
Application number: CN2010800149995A
Authority: CN
Inventors: S·贝尔图
Original assignee: Itron France SAS
Current assignee: Itron France SAS
Priority date: 2009-04-14
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2030-03-25
Also published as: EP2242223B1; AU2010237234B2; CA2763011C; MA33204B1; CL2011002404A1; AU2010237234A2; EP2242223A1; US8661176B2; CN102365848B; ZA201106621B; CA2763011A1; ATE523010T1; WO2010118940A1; ES2370587T3; AU2010237234A1; US20120047300A1; IL215069A0; BRPI1011842A2; MX2011010608A

Abstract

本发明涉及用于在“主”电子设备(3)与包括具有串行输入端口(R_x)的微控制器(20)的“从”能量表(2)之间双向无线传输串行格式数据信号的系统。根据本发明，串行格式数据信号借助于在输出端递送串行格式数据信号的每个上升或下降沿上的脉冲的双向电磁耦合装置(4)在近程内被交换。为了从“主”设备(3)向“从”能量表(2)发送数据信号，电磁耦合装置(4)输出端上的脉冲被递送至串行输入端口(R_x)。微控制器(20)能够使得输入端口(R_x)上接收的每个脉冲产生中断以将微控制器与第一接收脉冲同步，并且以串行数据传输速度生成比特串，每个生成比特的值当此时未收到中断时等于前一比特值，或者当此时收到中断时与前一比特的值相反。

Description

电子设备与能量表之间的串行数据信号的双向无线传输

技术领域

本发明涉及两个相邻的电子设备之间的串行格式数据信号的距离非常近的双向无线传输。

背景技术

下文将具体描述这种串行信号在能量表的电路与外部“主”电子设备之间的传输，所述能量表例如是水表、气表或电表并且在下文中称作“从”设备。

能量表的电路通常包括微控制器，该微控制器具有其两个串行端口上的串行链路，用于接收串行信号的第一端口R_x和用于发送串行信号的端口T_x。借助于这个串行链路，该微控制器能与其他电子设备交换串行数据。

这种串行数据交换可能在能量表使用寿命期间的不同阶段被需要，并且特别是：

-在制造期间的各种不同的阶段，在包括控制器的各种电子元件被封装在该能量表的密封壳体中之前；

-在制造结束时，在包括微控制器的各种电子元件已经被封装在该能量表的密封壳体之后；

-当现场安装该能量表从而使得其参数能够被设置时；和

-可选地在该能量表已经被安装之后的正常操作期间的任何时间，例如为了从该能量表发送数据至远程读取设备。

只要该能量表的壳体还没有封闭电子元件，通过将测试台电连接到该能量表的电路的各个点来交换串行信号就相当容易。因此，不必提供特定的连接器。

相反，只要密封壳体已经封闭了电子元件，就不可能在不冒着损坏该能量表的风险的情况下打开壳体，这特别是因为在某些能量表模型上，该壳体完全被树脂填满，该树脂用于保护电子设备不受严酷环境条件的影响，例如能量表被浸泡。在这种情况下，同样无法在该能量表外部与微控制器的串行链路之间实现任何电接触。

然而，为了使得“主”外部设备能够与微控制器(“从”设备)的串行链路通信而不必借助于连接器，已知利用串行数据经由光链路的双向传输。图1示意性地示出了这种通信的原理：每个“主”和“从”设备都具有一对光元件，所述光元件包括光发射器(E₁用于“主”设备，E₂用于“从”设备)和光接收器(R₁用于“主”设备，R₂用于“从”设备)，该光发射器通常是发光二极管(LED)，该光接收器通常是光电二极管或光电晶体管。“主”外部设备经由光发射器E₁发送具有代表“0”或“1”比特串的两个电平的第一串行信号S₁，该信号由连接到微控制器的串行端口(未显示)的接收器R₂接收。同样，“从”设备通过经由其发射器E₂在其串行发送端口T_X上发送第二双电平串行信号S₂来响应该“主”设备，该双电平同样代表了“0”或“1”比特串，该信号由“主”设备的接收器R₁接收。

这种光数据交换的优点是串行数据信号S₁和S₂在无需更改的情况下被发送，并且在接收处不需要进行任何转换。当“从”设备的微控制器的串行端口R_x接收串行数据信号S₁时，微控制器被设计成使得对开始比特的第一个的接收产生中断，由此使得该微控制器能够同步它自己并且然后发起例程，该例程使之能够以接收比特串的已知速度读取开始比特之后的每个比特中间的状态并且因而恢复向其发送的数据。然而，主要缺点在于这一事实：必须在能量表壳体上提供壁1，该壁至少对所使用的光波长而言为透明的。由于能量表的整个壳体不能是透明的，因此需要局部地提供透明壁，这由此造成了有损于壳体密封性的风险。此外，能量表必须包括光发射器和光接收器，这由此增加了制造成本。当只在能量表的制造和安装期间使用这种串行信号的传送时，尤其不期望产生这个额外的成本。

文件DE 10 2005 051 117 A1也公开了一种能量表与评估模块之间的通信接口，其中信号交换是通过位于能量表和模块各自的壁上的电容式电极之间的电容耦合来实现的。这种接口的明显的优点是信号传输能够通过塑料壳体和树脂来实现。然而，电容耦合只允许传送已变化的信号而不传送固定电平。这在文件DE 10 2005 051 117 A1的背景中没有造成妨碍，该文件规定所生成的信号的传输使用IrDA协议，即信号采取具有非常短的持续时间的脉冲串的形式。

然而，这种接口不适于传送串行信号，因为在接收处必须从通过电容耦合而接收的已变化信号中重构串行信号。

最后，能量表与测量设备之间的利用电感耦合的无线数据交换解决方案是已知的。正如上述电容耦合那样，通过电感耦合实现的数据交换只能够传送已变化的信号。如果要交换的信号是串行格式，例如RS232标准格式，则在接收处必须提供用于从已变化信号中重构信号的固定电平的装置。

例如，在文件EP 0 977 406中描述了根据权利要求1的前导部分的用于双向传输串行信号的系统。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于在能量表与“主”电子设备之间利用电容或电感型的电磁耦合来交换串行数据的解决方案，该解决方案不会增加能量表成本，即不需要借助于昂贵的附加元件来重构串行信号。

根据本发明，这个目的通过一种如权利要求1中限定的用于串行格式数据信号的双向无线传输系统而达到。

所述“主”电子设备优选地包括插入串行格式数据信号发送/接收装置与所述电磁耦合装置之间的接口。为了从所述“主”电子设备向“从”能量表发送数据信号，所述接口包括高压脉冲生成器，该生成器接收由所述发送/接收装置发送的串行格式数据信号并且在输出端递送在所接收的串行格式数据信号中的每个上升或下降沿上的高压脉冲。

为了从所述“从”能量表向所述“主”电子设备发送数据信号，待发送的串行格式数据信号由微控制器的输出端口递送至所述电磁耦合装置，并且所述接口优选地包括串行信号生成器，该生成器的输入端连接到所述耦合装置的输出端并且在其输出端向所述发送/接收装置递送串行格式数据信号。

所述电磁耦合装置可以是电感型的。在这种情况下，所述电磁耦合装置优选地包括位于所述能量表壳体的塑料壁两侧的两个线圈从而构成变压器。

作为变型，所述电磁耦合装置可以是电容型的。在这种情况下，它们优选地包括位于所述能量表的壳体的塑料壁两侧的四个导电板从而以成对的方式构成传输电容。

附图说明

参考附图，通过阅读下面的描述，可以更好地理解本发明，其中：

-上文已描述的图1示出了经由光链路交换串行信号的已知原理；

-图2以简化框图的形式示出了通过“主”设备与包括微控制器的“从”能量表之间的电磁耦合来交换串行数据的根据本发明的原理；

-图3示出了用于通过电感耦合传输的等效电路图；

-图4示出了用于通过电容耦合传输的等效电路图；

-图5示出了用于通过电感耦合传输的“主”设备的高压生成器的优选实施例；

-图6示出了用于通过电容耦合传输的“主”设备的高压生成器的优选实施例；

-图7示出了分别由“主”设备和“从”能量表的微控制器发送和接收的信号的例子，以及由微控制器执行的处理；

-图8示出了分别由“从”能量表的微控制器和“主”设备发送和接收的信号的例子，以及由“主”设备的接口执行的处理；

-图9示出了用于通过电感耦合传输的“从”能量表的接口电路的实施例；和

-图10示出了用于通过电容耦合传输的“从”能量表的接口电路的实施例。

具体实施方式

图2以简化框图的形式示出了在由包括微控制器20的能量表构成的“从”设备2与例如测试设备的“主”电子设备3之间的双向串行数据通信所需要的部件。回想一下，要在“主”设备3与“从”设备2之间交换的信号是串行类型的信号，例如以RS232标准格式的异步信号。这种串行信号具有两个固定电平(对于电池供电的设备而言通常是0/5伏特或0/3伏特)并且它们代表了“0”或“1”比特串。

双向数据传输是通过电容或电感型的电磁耦合来实现的。图2中用虚线框4示意性地示出了这种电磁耦合。

在接收方向中的微控制器20的上游还提供了用于执行将在下文中说明的功能的两个接口，即用于“主”设备的第一接口31和用于“从”能量表的第二接口21。

在电感型电磁耦合的情况下，两个线圈L₁和L₂被置于能量表壳体的塑料壁1的两侧。这两个线圈构成变压器。图3给出了等效的电路图。如果经由线圈L₁发送电流前端I_e，则线圈L₂接收电流脉冲I_r(具有低负载阻抗R_L)或电压脉冲V_r(具有高负载阻抗R_L)。传输是双向的并且脉冲电平是不对称的，由此使之能够减少能量表的成本。应当指出，这种传输中的耦合因子相当小从而优选地提供放大发送信号的功能。

在电容型电磁耦合的情况下，四个导电板P₁至P₄被置于能量表壳体的塑料壁1的两侧，以使得它们成对地构成传输电容。图4给出了等效电路图。如果在两个板P₁和P₂之间发送电压前端V_e，则将在板P₃和P₄之间接收电压脉冲V_r，脉冲持续时间取决于时间常数R_L×C_L，其中R_L是负载阻抗并且C_L是负载寄生电容。传输同样是双向的并且脉冲电平是不对称的，由此减少了能量表的成本。从图4的电路图中可以看出，导电板与负载寄生电容配合以构成分压器，以使得接收信号的振幅以如下比例关系而小于发送信号振幅：

Vr/Ve＝C_T/C_L。

考虑到电容的量值等级(对于C_T是0.3微微法(PF)到1PF，并且对于C_L是10PF到20PF)，接收信号的振幅因而可以是发送信号的振幅的二十分之一到四十分之一。因此，同样需要提供信号放大功能。

因此，不管所选择的电磁传输的类型如何，只有待发送的串行信号的上升和下降沿实际上是以脉冲的形式发送和接收的，并且必须能够从接收脉冲中重构串行信号。此外，在这两种传输的情况下，必须提供对发送信号的电平放大。

为了尽可能简化第二接口21，本发明规定信号放大功能不是由能量表的接口21来执行的，而是由“主”设备的接口31来执行。

具体地，“主”设备的第一接口31包括：

-高压脉冲生成器310，其接收由“主”设备的发送/接收装置30发送的串行数据信号并且递送在串行数据信号的每个沿上的放大电平的脉冲；和

-放大装置311，其接收由电磁耦合装置4发送的脉冲并且由此导致由“从”能量表发送串行数据信号，并且重构相应的串行数据信号从而将其递送至串行格式发送/接收装置30。

图5和6示出了分别在通过电感耦合进行发送和通过电容耦合进行发送的情况下的高压脉冲生成器310的优选实施例。脉冲生成是利用线圈L₁充电的已知原理来执行的，直到获得确定的电流，然后线圈放电，充电和放电周期是由晶体管控制的。应当指出，在通过电感耦合进行发送的情况下，这直接就是生成器310中使用的线圈L₁。

接口装置311可以通过用于从放大脉冲中重构串行信号的传统运算放大器电路来体现。所应用的逻辑对应于每当接收脉冲时都更改状态的D型双稳器的逻辑。

如上文所述，对于从“主”设备去往“从”设备的串行信号进行重构的功能不应当增加能量表的成本。为此，本发明规定借助于微控制器20中的特定软件例程来重构这些信号，该微控制器在串行端口R_X上接收由电磁耦合装置发送的脉冲。

特定的软件例程在于执行下列步骤：

-微控制器20在每个接收脉冲上产生中断，该接收脉冲对应于所发送的串行数据信号中的每个上升或下降沿；

-微控制器20将其自己与对应于所发送串行数据信号的开始比特的上升沿的第一接收脉冲同步，并且以串行数据传输速度操作以生成比特串，每个所生成比特的值：

ο如果此时没有接收到任何中断则等于前一比特的值；并且

ο如果此时接收到中断则等于与前一比特的值相反的值。

图7示出了如何由微控制器生成比特串的例子。在该图中，第一个时序图示出了由接口31上游的“主”设备发送的串行数据信号的形状。这个串行数据信号是由比特串构成的，信号的开始是通过值为1的开始比特来标识的。在这个例子中，信号具有“10011101010”的形式。

第二个时序图示出了由高压生成器310生成的高压脉冲的形状，这些脉冲对应于由“主”设备发送的串行数据信号中的每个上升或下降沿。考虑到生成器310所需要的处理时间，这些脉冲在时间上相对于所发送的信号的上升和下降沿被轻微地偏移(约为100微秒(μs)的延迟)。这些脉冲例如通过电容或电感电磁耦合而被发送。第三个时序图示出了由能量表的微控制器20在串行端口R_X的输入端上所接收的每个脉冲上生成的中断。最后一个时序图示出了由微控制器通过应用上面指定的规则而生成的比特串。很好地恢复了如最初发送的信号“1001110101”。

图8示出了当从“从”能量表的微控制器20向“主”设备发送串行数据信号时生成串行数据信号的例子。在该图中，第一个时序图示出了直接从微控制器的串行端口T_X发送的串行数据信号的形状。该串行数据信号由比特串构成，信号的开始以值为1的开始比特作为标志。在这个例子中，信号是以“10011101010”的形式。第二个时序图示出了在接口31的输入端上接收的信号，更确切地说是在信号生成器311的输入端。由于电磁耦合，这个信号包括与所发送的串行信号的每个上升或下降沿对应的脉冲序列。第三个时序图示出了来自生成器311的输出，该输出十分准确地对应于如最初发送的信号“10011101010”。

首先由于软件装置被用于重构在从“主”设备到“从”设备的方向中的串行信号，并且其次由于放大功能是在“主”设备中执行的，因此能量表的成本相当低。

图9示出了用于电感型传输的能量表2的接口21。构成变压器次级的线圈L₂被置于壳体内侧的壁1处。，另一个线圈L₁优选地位于“主”电子设备的外侧壁上。包括双极晶体管和电阻器的电路用于降低微控制器输入端所需要的电压电平从而产生中断。

图10示出了用于电容型传输的能量表2的接口21。两个板P₃和P₄可以在壳体内侧的壁1处直接由印刷电路板承载，板P₃连接到地面而板P₄连接到微控制器20的输入和输出端口R_X和T_X。这个电路中只需要一个下拉电阻R_PD。另外两个板P₁和P₂也可以由壳体外侧的壁1承载。作为变型，板P₁和P₂是在“主”电子设备的外侧壁上被承载的。

本发明的传输系统与任何双线串行通信协议相容。“主”设备的接口31不执行任何协议转换，而只是在一个传输方向中将前端转换成脉冲并且在另一个方向中将脉冲转换成电平。微控制器20使用与有线传输相同的通信软件，除了在上游添加一个用于管理中断的软件。

Claims

1.一种用于在“主”第一电子设备(3)与“从”第二电子设备(2)之间双向无线传输串行格式数据信号的传输系统，所述串行格式数据信号是借助于在输出端递送在所述串行格式数据信号的每个上升或下降沿上的脉冲的双向电磁耦合装置(4)而在近程内被交换的，其特征在于，所述“从”第二电子设备是包括具有串行输入端口(R_x)的微控制器(20)的能量表(2)，为了从所述“主”电子设备(3)向所述“从”能量表(2)发送数据信号，所述电磁耦合装置(4)输出端上的脉冲是被直接递送至所述串行输入端口(R_x)的正脉冲，并且所述微控制器(20)被设计成：

-针对在所述输入端口(R_x)上接收的每个脉冲而产生中断，

-将其自身与第一接收脉冲同步；并且

-以所述串行数据的传输速度而生成比特串，每个所生成的比特的值：

ο如果此时没有接收到任何中断则等于前一比特的值；并且

ο如果此时接收到中断则等于与前一比特的值相反的值。

2.根据权利要求1所述的传输系统，其特征在于，所述“主”电子设备(3)包括插在所述串行格式数据信号的所述发送/接收装置(30)与所述电磁耦合装置(4)之间的接口(31)，并且为了从所述“主”电子设备(3)向所述“从”能量表(2)发送数据信号，所述接口(31)包括高压脉冲生成器(310)，该高压脉冲生成器接收由所述发送/接收装置(30)发送的串行格式数据信号并且在输出端递送在所接收的串行格式数据信号的每个上升或下降沿上的高压脉冲。

3.根据权利要求2所述的传输系统，其特征在于，为了从所述“从”能量表(2)向所述“主”电子设备(3)发送数据信号，待发送的串行格式数据信号由所述微控制器(20)的输出端(T_x)递送至所述电磁耦合装置(4)，并且所述接口(31)包括串行信号生成器(311)，该串行信号生成器的输入端连接到所述耦合装置的输出端并且其输出端将所述串行格式数据信号递送至所述发送/接收装置(30)。

4.根据前述任一权利要求所述的传输系统，其特征在于，所述电磁耦合装置(4)是电感型的。

5.根据权利要求4所述的传输系统，其特征在于，所述电磁耦合装置(4)包括位于所述能量表(2)的壳体的塑料壁(1)两侧的两个线圈(L1、L2)，从而构成变压器。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的传输系统，其特征在于，所述电磁耦合装置(4)是电容型的。

7.根据权利要求6所述的传输系统，其特征在于，所述电磁耦合装置(4)包括位于所述能量表(2)的壳体的塑料壁(1)两侧的四个导电板(P₁至P₄)，从而成对地构成传输电容。