CN102589631A - 可变电阻式燃气表无源直读电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可变电阻式燃气表无源直读电路。本发明包括能量捕获通信模块电路、控制模块电路和可变电阻采样电路。能量捕获通信模块电路包括相互连接的天线和能量捕获通信芯片，能量捕获通信芯片将捕获到的外部读写设备发射的射频信号转换为电能，给整个电路提供电能,并通过射频信号进行通信，把芯片内部的数据传输给外部读写设备；可变电阻采样电路将燃气表不同的字轮值转换为对应的不同电阻阻值，控制模块电路的微处理器进行采样处理得到字码数据，并将字码数据存入能量捕获通信芯片。本发明实现无源方式读出数据，不存在电源，实现真正的本质安全。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种可变电阻式燃气表无源直读电路。
背景技术
现有燃气表绝大部分是机械式，也有极少的是采用电子手段进行测量。机械式燃气表利用燃气的流动推动字轮旋转，从而获得流量值；电子式燃气表采用超声波、射流等方式进行检测燃气流量值。
因为抄表的需要，燃气表需要把测得的燃气流量值传出，通过射频方式（RF）、近场通信（NFC）、通用分组无线业务（GPRS）等手段最终传到燃气公司的数据库，燃气公司依此进行结算。
机械式燃气表利用字轮读数显示燃气流量值，需要人工读数进行手工抄表，费时费工。若如需要进行远程抄表，需要把此机械字轮数转化为电信号，才能进行处理以及传输。具体转换转化方式有如下几种：光电直读方式、干簧管方式、霍尔传感器方式、变化电阻方式、编码方式以及摄像式。光电直读方式为一组红外光沿字轮轴线方向穿过字轮，由于字轮开孔位置组合从而获得字轮数值，本方式为字轮实时值。干簧管和霍尔传感器读数方式为是脉冲计数方式，由字轮旋转一圈产生一个脉冲的方式累计从而获得字轮数值，此方式为字轮累计值，需要字轮初始值和累计值方能得到字轮实时值。变化电阻方式为不同的字轮数值对应不同的电阻阻值，通过采集阻值从而获知字轮值，该方式为字轮实时值。编码方式采用编码开关字轮方式，由4个开关不同组合代表字轮值，采集此4个开关的状态获得字轮值，该方式为字轮实时值。摄像式采用拍摄字轮并经过图像处理获得字轮值，该方式为字轮实时值。上述方式中，霍尔方式需要24小时不间断供电，其余则可以在采集数据的时候供电即可。
因为燃气为易燃易爆气体，在机械表上使用电子元部件时，不能采用220V市电供应，只能利用电池供电，而电池存在损耗和寿命问题，所以在燃气表的生寿命周期中需要更换电池。这对于用户以及燃气公司来说，存在许多不方便，例如没有及时更换电池，可能会存在无法及时、准确的把燃气用气量传回燃气公司的问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种可变电阻式燃气表无源直读电路。
本发明包括能量捕获通信模块电路、控制模块电路和可变电阻采样电路。能量捕获通信模块电路包括天线和能量捕获通信芯片，天线与能量捕获通信芯片连接，获取外部读写设备发射的射频信号；能量捕获通信芯片将捕获到的射频信号转换为电能，给芯片本身、控制模块电路和可变电阻采样电路提供电能,并通过外部读写设备发射的射频信号进行通信，把芯片内部的数据传输给外部读写设备；可变电阻采样电路将机械式燃气表不同的字轮值转换为对应的不同电阻阻值，并转变为电压信号；控制模块电路的微处理器采集可变电阻采样电路中的电压信号，转换为对应的字码数据，并与能量捕获通信芯片通信，将字码数据存入能量捕获通信芯片中。
所述的能量捕获通信芯片采用同时具有能量捕获功能和通信功能的芯片，通过天线采集到外部读写设备发射的射频信号，并将采集的射频信号转换为电能，射频信号载波频率从低频100KHz到高频、超高频以及微波6GHz，能够与发射射频信号的外部读写设备进行通信，以及与控制模块电路中的微处理器进行通信；能量捕获通信芯片具有天线接口、电源输出端口、通信端口。
所述的控制模块电路包括微处理器和辅助电路器件，辅助电路器件包括电容、电阻、晶振；所述的微处理器为单片机、Arm或Dsp，具有数据处理模块、数据通信模块、电源输入端口和I/O接口；微处理器的电源输入端口与能量捕获通信芯片的电源输出端口连接。辅助电路器件中的电容一般作为旁路电容、去耦电容、谐振电容或者储能电容，用于滤波、谐振、储能等功能；辅助电路器件中的电阻一般作为上拉电阻或者作为分压、分流电阻；晶振主要是给所述的微处理器提供时钟，也有微处理器内部带有晶振，则可不需要外部晶振；所述的电容、电阻、晶振采用串联或者并联的方式连接。辅助电路器件为成熟的电子元器件，其连接方式也采用常规的现有技术。
所述的可变电阻采样电路包括多个并联的可变电阻分电路，每个可变电阻分电路结构相同，包括一个可变电阻和一个上拉电阻，上拉电阻的一端接微处理器的一个I/O接口或能量捕获通信芯片的电源输出端口，作为电源输入，上拉电阻的另一端与可变电阻的一端连接，作为可变电阻的取样点，取样点与微处理器的一个A/D采样口或者模拟A/D采样的I/O接口连接，可变电阻的另外一端接地。
对应机械式燃气表上小数点前的每个字轮设置一个可变电阻，所述的可变电阻包括电阻盘和设置在字轮上的接触柱，电阻盘上设置有电阻带，电阻带为连续电阻或分立电阻；字轮转动时，接触柱随之转动，接触柱与电阻带接触随着字轮转动实现不同的电阻输出。可变电阻结构为成熟的现有技术。
本发明的可变电阻式燃气表无源直读电路中没有任何的电源以及长期储能元件例如电池或者大电容，且在不需要抄表的时段，该电路不在工作状态；只有在需要抄表的时候才由外部读写设备发射射频信号，能量采集通信芯片采集外部读写设备发射的射频信号并转换为电能来给系统供电，并通过外部读写设备发射的射频信号进行通信，把芯片内部的数据传输给外部读写设备。根据国家相关无线电管理方面的要求，发射的射频信号功率就有限，所以捕获到的电能更低，即使在抄表时，系统功耗在微瓦级别。本发明实现了无源方式读出数据，不存在电源，实现真正的本质安全。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明的能量捕获通信模块电路和控制模块电路图；
图3为本发明的可变电阻分电路的电路图；
图4为带接触柱的字轮结构示意图；
图5为电阻盘结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，可变电阻式燃气表无源直读电路包括能量捕获通信模块电路、控制模块电路2和可变电阻采样电路3。能量捕获通信模块电路包括天线1和能量捕获通信芯片U1，天线1与能量捕获通信芯片U1连接，获取外部读写设备发射的射频信号；能量捕获通信芯片U1将捕获到的射频信号转换为电能，给芯片本身、控制模块电路2和可变电阻采样电路3提供电能，并通过外部读写设备发射的射频信号进行通信，把芯片内部的数据传输给外部读写设备；可变电阻采样电路3将机械式燃气表不同的字轮值转换为对应的不同电阻阻值，并转变为电压信号；控制模块电路2的微处理器U2采集可变电阻采样电路3中的电压信号，转换为对应的字码数据，并与能量捕获通信芯片U1通信，将字码数据存入能量捕获通信芯片U1中。
能量捕获通信芯片U1采用同时具有能量捕获功能和通信功能的M24LR16芯片，通过天线1采集到射频信号，并将采集的射频信号转换为电能，射频信号载波频率为13.56MHz±7KHz，同时实现与发射射频信号的外部读写设备进行通信，以及与控制模块电路2中的微处理器U2进行通信。
如图2所示，M24LR16芯片的2脚和3脚分别与天线1的两端连接，4脚接地，1脚作为电源输出端与控制模块电路2连接；M24LR16芯片的5脚和6脚作为与控制模块电路2进行通信的端口，通过I2C方式与控制模块电路2中的微处理器U2进行通信；7脚与控制模块电路2连接，是一个开漏输出脚，用于提供与外部读写设备射频通信活动信息给控制模块电路2。当M24LR16芯片通过天线1与外部读写设备进行通信时，M24LR16芯片的7脚输出低电平信号给控制模块电路2，当M24LR16芯片与外部读写设备未进行通信时，M24LR16芯片的7脚输出高电平信号给控制模块电路2；8脚与控制模块电路2连接，为电源输入端，以驱动M24LR16芯片的5、6、7脚。
控制模块电路2包括微处理器U2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和晶振CYC1，微处理器U2采用MSP430F4152芯片；M24LR16芯片的8脚与MSP430F4152芯片的13脚、第一电阻R1一端、第二电阻R2一端和第三电阻R3一端连接；M24LR16芯片的7脚与第一电阻R1的另一端和MSP430F4152芯片的14脚连接；M24LR16芯片的6脚与第二电阻R2的另一端和MSP430F4152芯片的15脚连接；M24LR16芯片的5脚与第三电阻R3的另一端、第一电容C1的一端和MSP430F4152芯片的16脚连接，第一电容C1的另一端接地；M24LR16芯片的1脚与第二电容C2的一端、第三电容C3的一端、MSP430F4152芯片的7脚和64脚连接，第二电容C2的另一端和第三电容C3的另一端接地；MSP430F4152芯片的8脚与第四电容C4的一端和晶振CYC1的一端连接，9脚与晶振CYC1的另一端和第五电容C5的一端连接，第四电容C4的另一端和第五电容C5的另一端接地；MSP430F4152芯片的62脚和10脚接地，54脚、55脚、56脚、57脚、58脚接烧写器。
可变电阻采样电路3包括多个并联的可变电阻分电路。如图3所示，每个可变电阻分电路结构相同，包括一个可变电阻Rv和一个上拉电阻R11。上拉电阻R11的一端接MSP430F4152芯片的53脚，通过MSP430F4152芯片供电，上拉电阻R11的另一端与可变电阻Rv的一端连接，作为可变电阻的取样点S，取样点S与MSP430F4152芯片的一个A/D采样接口连接，MSP430F4152芯片的A/D采样接口分别为3脚、4脚、5脚、6脚、11脚、60脚、61脚和63脚，可变电阻Rv的另外一端接地。
如图4和5所示，机械式燃气表上设有多个字轮4，包括小数点后2～3位、小数点前为3～8位，对应小数点前的每个字轮4设置一个可变电阻。可变电阻包括电阻盘6和设置在字轮4上的接触柱5，电阻盘6为一个圆形的绝缘盘，绝缘盘6中间为环形金属盘7并引出一根线；绝缘盘6上均匀分布着60个分立电阻8，字轮转动时，接触柱5随之转动，接触柱5的一端保持与环形金属盘7接触，接触柱5的另一端与分立电阻8接触，根据不同的位置输出不同的电阻阻值。
每个可变电阻通过输出不同的电阻阻值，对应字轮上的10进制的数字，具体字轮数字与可变电阻的不同电阻值的对应如下表所示：
| 字轮读数 | 可变电阻阻值范围（KΩ） |
| 0 | 0-2.99 |
| 1 | 3-5.99 |
| 2 | 6-8.99 |
| 3 | 9-11.99 |
| 4 | 12-14.99 |
| 5 | 15-17.99 |
| 6 | 18-20.99 |
| 7 | 21-23.99 |
| 8 | 24-26.99 |
| 9 | 27-29.99 |
该可变电阻式燃气表无源直读电路的工作过程为：外围读写设备发送射频信号（RF），天线1接收此射频信号，并把射频信号输给能量捕获通讯芯片U1转化为电能，提供给能量捕获通讯芯片U1和微处理器U2，微处理器U2运行后通过第53脚输出电压给可变电阻采样电路3，然后微处理器U2的A/D采样口通过采样并转换，获得燃气表字轮数据，然后关闭53脚的输出。
微处理器U2的第13脚输出电压给能量捕获通讯芯片U1的Vcc脚，并检测微处理器U2的第14脚，如果为低电平则表示能量捕获通讯芯片U1处于RF写数据或者正在执行RF命令，就不能执行I2C通讯。微处理器U2进入低功耗模式，当检测到高电平，则微处理器U2与能量捕获通讯芯片U1进行I2C通讯，把获得的字轮数据写入能量捕获通讯芯片U1的存储器。写入完毕后断开I2C通讯。
外部读写设备可以再通过射频信号读取能量捕获通讯芯片内存储的字轮数据。外部读写设备与M24LR16进行通讯支持ISO15693、ISO18000-3协议。
能量捕获通信芯片还可以采用两个芯片组合的方式：其中一个芯片为能量捕获芯片，该芯片具有能量捕获的功能，但无法与微处理器进行通信；另一个芯片为通信芯片，该芯片利用能量捕获芯片供电，一端连接微处理器，获取微处理器采集的字轮数值，采用射频方式与外部读写设备进行通信。
Claims (3)
1. 可变电阻式燃气表无源直读电路，包括能量捕获通信模块电路、控制模块电路和可变电阻采样电路，特征在于：能量捕获通信模块电路包括天线和能量捕获通信芯片，天线与能量捕获通信芯片连接，获取外部读写设备发射的射频信号；能量捕获通信芯片将捕获到的射频信号转换为电能，给芯片本身、控制模块电路和可变电阻采样电路提供电能，并通过外部读写设备发射的射频信号进行通信，把芯片内部的数据传输给外部读写设备；可变电阻采样电路将机械式燃气表不同的字轮值转换为对应的不同电阻阻值，并转变为电压信号；控制模块电路的微处理器采集可变电阻采样电路中的电压信号，转换为对应的字码数据，并与能量捕获通信芯片通信，将字码数据存入能量捕获通信芯片中；
所述的能量捕获通信芯片采用同时具有能量捕获功能和通信功能的芯片，通过天线采集到射频信号，并将采集的射频信号转换为电能，能够与发射射频信号的外部读写设备进行通信，以及与控制模块电路中的微处理器进行通信；能量捕获通信芯片具有天线接口、电源输出端口、通信端口；
所述的控制模块电路包括微处理器和辅助电路器件，辅助电路器件包括电容、电阻、晶振；所述的微处理器为单片机、Arm或Dsp，具有数据处理模块、数据通信模块、电源输入端口和I/O接口；微处理器的电源输入端口与能量捕获通信芯片的电源输出端口连接；
所述的可变电阻采样电路包括多个并联的可变电阻分电路，每个可变电阻分电路结构相同，包括一个可变电阻和一个上拉电阻，上拉电阻的一端接微处理器的一个I/O接口或能量捕获通信芯片的电源输出端口，作为电源输入，上拉电阻的另一端与可变电阻的一端连接，作为可变电阻的取样点，取样点与微处理器的一个A/D采样口或者模拟A/D采样的I/O接口连接，可变电阻的另外一端接地。
2.如权利要求1所述的可变电阻式燃气表无源直读电路，其特征在于：所述的能量捕获通信芯片通过天线采集到射频信号载波频率从低频100KHz到高频、超高频以及微波6GHz。
3.如权利要求1所述的可变电阻式燃气表无源直读电路，其特征在于：对应机械式燃气表上小数点前的每个字轮设置一个可变电阻，所述的可变电阻包括电阻盘和设置在字轮上的接触柱，电阻盘上设置有电阻带，电阻带为连续电阻或分立电阻；字轮转动时，接触柱随之转动，接触柱与电阻带接触随着字轮转动实现不同的电阻输出。
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