CN104280157A - 一种低功耗变送器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低功耗变送器，其包括依次电连接的传感元件、信号处理器、微控制器和输出通信电路。在不需要读取被测物体或环境的实际数值时，所述传感元件、信号处理器、微控制器和输出通信电路均处于待机模式；在需要读取实际数值时，所述传感元件、信号处理器、微控制器和输出通信电路才被唤醒。通过微控制器实现传感元件、信号处理器及其自身在休眠模式和运行模式的自动切换，使得本发明低功耗变送器在待机模式下的电流功耗小于2μA，大大减少了电源的消耗，有利于节约资源和方便使用，且其电路结构简单。

Description

一种低功耗变送器

技术领域

本发明涉及一种低功耗变送器。

背景技术

压力变送器是工业实践过程中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电和管道等众多行业。它将测压或测温元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。

现有的压力变送器是由压力传感器、信号调理电路、模数转换电路、处理器、通信输出电路等构成。压力变送器将工业现场压力信号通过传感器感知后转化为电信号，然后经过信号调理，模数转换，数学算法修正等过程，最后输出与压力变化成正比的模拟信号或者数字通信信号。由于在上述过程中，现有压力变送器需要对所有部件单独连续供电，整个变送器的功耗大概在2～3mA左右。采用电池作为供电电源的情况下，2～3mA的电流消耗太高，需要经常更换电池，带来资源浪费和使用不便。

另外，现有温度变送器也存在着上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种低功耗变送器，该变送器不仅能够进行待机和运行模式的自动切换，且其在待机模式下的电流功耗小于2μA，大大减少了电源的消耗，有利于节约资源和方便使用，且其电路结构简单。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种低功耗变送器，其包括传感元件、信号处理器、微控制器和输出通信电路；

所述传感元件具有运行和休眠两种工作模式；所述传感元件由微控制器通过信号处理器控制，实现运行模式和休眠模式的自动切换；运行模式的传感元件将测量所得的信息转化为电信号，并传送至信号处理器；

所述信号处理器具有运行和休眠两种工作模式；所述信号处理器通过微控制器的控制，实现运行模式和休眠模式的自动切换；运行模式的信号处理器对所述电信号进行采样，得到采样信号，并传送至微控制器；

所述微控制器具有运行和休眠两种工作模式；所述微控制器通过对自身的控制和输出通信电路，实现休眠模式和运行模式的自动切换；运行模式的微控制器依次唤醒信号处理器和传感元件，并将所述采样信号转化为实际数值，并传送至输出通信电路；

所述输出通信电路具有运行和休眠两种工作模式；所述输出通信电路通过通信终端的控制，实现运行模式和休眠模式的自动切换；运行模式的输出通信电路将所述实际数值发送至通信终端或显示终端。

通过上述技术方案，在不需要读取实际数值时，通过本发明低功耗变送器的微控制器控制信号处理器和传感元件处于休眠模式，不对其提供工作激励，也即信号处理器和传感元件处于休眠待机模式，仅需要消耗小于1μA的电流，从而大大减少了电流损耗；同时，通过微控制器控制自身进入休眠待机模式，仅损耗小于0.7μA的电流；则处于待机模式的变送器仅损耗不到1.7μA的电流，远远小于现有技术变送器的电流损耗。当需要读取实际数值时，利用输出通信电路唤醒微控制器，也即，只有在需要运行的模式下，微控制器才会重新切换至运行模式，并控制信号处理器和传感元件进入到运行模式，这么一来，微控制器不需要定时扫描，判断是否需要切换工作模式，直接由外部唤醒，减少了因需要定时扫描所产生的电流损耗。因此，相对于现有技术，本发明低功耗变送器不仅能够进行待机和运行模式的自动切换，且其在待机模式下的电流功耗小于2μA，大大减少了电源的消耗，有利于节约资源和方便使用，且其电路结构简单。

所述微控制器通过UART通信接口或SPI通信接口方式接收由输出通信电路发送的指令，实现从休眠模式切换至运行模式，并控制信号处理器和传感元件由休眠模式切换至运行模式；且所述微控制器通过输出通信电路输出实际数值后，控制信号处理器和传感元件由运行模式切换至休眠模式，并控制自身从运行模式切换至休眠模式。此处通过UART通信接口或SPI通信接口方式唤醒微控制器，且微控制器通过UART通信接口或SPI通信接口方式将实际数值传送至输出通信电路，有利于数据的高速传输，保证通信质量。

所述微控制器根据传感器测量信号线性化模型将所述采样信号换算为实际数值。此处设置有利于得出准确的实际数值，减少测量误差。

所述微控制器的通信接口的接收端与输出通信电路的指令发送端连接，其通信接口的发送端与输出通信电路的实际数值接收端连接，其脉冲信号输出端与信号处理器的串行时钟输入端连接，其采样信号接收端与信号处理器的采样信号输出端连接，其指令输出端与信号处理器的指令接收端连接。

所述传感元件的工作激励输入端口与信号处理器的激励信号输出端口连接，其信号输出端依次通过共模滤波电路和差模滤波电路与信号处理器的信号接收端口连接。

所述传感元件为压力传感器或温度传感器。

所述压力传感器为电桥式压力传感器，所述温度传感器为PT100温度传感器。

所述微控制器为MSP430系列或PIC系列或cortex-M3系列或cortex-M0系列的单片机。由于MSP430系列或PIC系列或cortex-M3系列或cortex-M0系列的单片机都是超低功耗的单片机，利用上述型号的单片机作为微控制器，有利于进一步减少本发明变送器的电流损耗。

所述信号处理器为AD7792或AD7793或ADS1246或ADS1247或ADS1248或ADS1220型号的ADC器件。由于AD7792或AD7793或ADS1246或ADS1247或ADS1248或ADS1220型号的ADC器件是超低功耗的ADC器件，利用上述高度集成的ADC器件即可实现信号调理、模数转换、数据处理等功能，不仅有利于简化电路，而且进一步减少了本发明变送器的电流损耗。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1是本发明低功耗变送器的电路原理框图；

图2是本发明低功耗变送器的局部电路结构示意图；

图3是本发明低功耗变送器的工作流程示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明低功耗变送器，包括依次电连接的传感元件1、信号处理器2、微控制器3和输出通信电路4。在不需要读取被测物体或环境的实际数值时，所述传感元件1、信号处理器2、微控制器3和输出通信电路4均处于待机模式；在需要读取实际数值时，所述传感元件1、信号处理器2、微控制器3和输出通信电路4均被唤醒，所述传感元件1将测量得到的信息转化为电信号，并传送至信号处理器2；所述信号处理器2接收所述电信号，并对该电信号进行采样处理，得到采样信号，并传送至微控制器3；所述微控制器3接收所述采样信号，并根据传感器测量信号线性化模型将所述采样信号换算为实际数值，并传送至所述输出通信电路4；所述输出通信电路4接收所述实际数值，并输出至通信终端或显示终端。

具体地，所述传感元件1设有工作激励输入端口和信号输出端口，且其具有运行和休眠两种工作模式。所述传感元件1由微控制器3通过信号处理器2控制，实现运行模式和休眠模式的自动切换。处于运行模式的传感元件1将测量所得的信息转化为电信号，并传送至信号处理器2。

所述信号处理器2设有激励信号输出端口、信号接收端口、串行时钟输入端、指令接收端和采样信号输出端。信号处理器2的信号输出端口与传感元件1的工作激励输入端口连接，传感元件1的信号输出端依次通过共模滤波电路和差模滤波电路与信号处理器2的信号接收端口连接。且所述信号处理器2具有运行和休眠两种工作模式；所述信号处理器2通过微控制器3的控制，实现运行模式和休眠模式的自动切换。处于运行模式的信号处理器2对所述电信号进行采样，得到采样信号，并传送至微控制器3。

所述微控制器3设有通信接口、脉冲信号输出端、采样信号接收端和指令输出端；微控制器3的通信接口包括接收端和发送端。微控制器3通信接口的脉冲信号输出端与信号处理器2的串行时钟输入端连接，其采样信号接收端与信号处理器2的采样信号输出端连接，其指令输出端与信号处理器2的指令接收端连接。且所述微控制器3具有运行和休眠两种工作模式；所述微控制器3通过对自身的控制和输出通信电路4，实现休眠模式和运行模式的自动切换。处于运行模式的微控制器3依次唤醒信号处理器2和传感元件1，并根据传感器测量信号线性化模型将所述采样信号换算，并传送至输出通信电路4。

所述输出通信电路4设有指令发送端、实际数值接收端、通信输出端和通信接收端。输出通信电路4的指令发送端与微控制器3的通信接口的接收端连接，其实际数值接收端与微控制器3的通信接口的发送端连接，其通信输出端与通信终端信号连接或与显示终端电连接，以接收通信指令；其通信接收端与通信终端信号连接或与显示终端电连接，以输出实际数值。且所述输出通信电路4具有运行和休眠两种工作模式；所述输出通信电路4通过通信终端或显示终端的控制，实现运行模式和休眠模式的自动切换。运行模式的输出通信电路4将所述实际数值发送至通信终端或显示终端。

具体地，所述微控制器3通过UART通信接口或SPI通信接口方式接收由输出通信电路4发送的指令，实现从休眠模式切换至运行模式，并控制信号处理器2和传感元件1由休眠模式切换至运行模式；且所述微控制器3通过输出通信电路4输出实际数值后，控制信号处理器2和传感元件1由运行模式切换至休眠模式，并控制其自身从运行模式切换至休眠模式。

请参阅图2，在本实施例中，所述微控制器3为MSP430系列的单片机，所述信号处理器2为AD7792器件，所述传感元件1为电桥式压力传感器。为了使MSP430系列的单片机和AD7792器件处于能够正常使用于电路中，必须对MSP430系列的单片机的特定引脚接入工作电源、时序振荡电路和保护电路等，其接线方式为常规接线方式，故在此不再累述；同时，也必须为AD7792器件的特定引脚接入工作电源和保护电路等。以上操作完毕后，根据上述传感元件1、信号处理器2、微控制器3和输出通信电路4的连接关系，以下具体说明本发明中对AD7792器件和MSP430系列的单片机的端子或引脚的引用。所述AD7792的IOUT1端为信号处理器2的内部激励输出端，其模拟输入引脚AINI(+)和AINI(－)为信号处理器2的信号接收端口，其串行时钟输入端SCLK为信号处理器2的串行时钟输入端，其串行数据输入端DIN为信号处理器2的指令接收端，以及其串行数据输出端DOUT/RDY为信号处理器2的采样信号输出端。所述MSP430系列的单片机的引脚P3.5为微控制器3的通信接口的接收端，其引脚P3.4为微控制器3通信接口的发送端，其引脚P3.0为微控制器3的脉冲信号输出端，其引脚P2.1为微控制器3的采样信号接收端，其引脚P3.1为微控制器3的指令输出端。

AD7792器件的模拟输入引脚/正基准输入引脚REF IN(+)和模拟输入引脚/负基准输入引脚REF IN(－)之间串接有由电阻R4和电容C9组成的并联电路，其中，R4为信号处理器2的采样参考取样电阻。

本发明低功耗变送器的工作模式切换过程如下：

请参阅图3，首先，初始化微控制器3，微控制器3进入休眠模式，且传感元件1、信号处理器2和输出通信电路4均处于休眠模式。当不需要读取被测物体或被测环境的实际数值时，传感元件1、信号处理器2、微控制器3和输出通信电路4均处于休眠模式。当需要读取测量值时，此时通信终端或显示终端发送一通信指令至输出通信电路4的通信接收端；输出通信电路4将该通信指令发送至微控制器3的通信接口接收端，从而处于休眠模式的微控制器3被唤醒并切换至运行模式；同时，微控制器3发送至一指令至信号处理器2的指令接收端，从而实现处于待机模式的信号处理器2被唤醒并切换至运行模式；同时信号处理器2的激励信号输出端口输出激励，为传感元件1提供工作激励，从而实现处于待机模式的传感元件1被唤醒并切换至运行模式；从而实现了输出通信电路4、微控制器3、信号处理器2和传感元件1均从休眠模式切换至运行模式。此时，所述传感元件1将测量得到的信息转化为电信号，并传送至信号处理器2；所述信号处理器2接收所述电信号，并对该电信号进行采样处理，得到采样信号，并传送至微控制器3；所述微控制器3接收所述采样信号，并根据传感器测量信号线性化模型将所述采样信号换算为实际数值，并传送至所述输出通信电路4；所述输出通信电路4接收所述实际数值，并输出至通信终端或显示终端。当输出通信电路4将实际数值输出后，微控制器3控制运行模式的信号处理器2切换至休眠模式，使得信号处理器2停止对传感元件1提供激励信号，由此实现了传感元件1由运行模式切换至休眠模式；当信号处理器2和传感元件1切换至待机模式后，微控制器3控制自身切换至休眠模式，同时输出通信电路4也切换至休眠模式。由此，本发明低功耗变送器不仅能够实时快速准确地测量出工况压力，还实现了变送器休眠模式与运行模式的自动切换，从而实现在待机状下，变送器的总功耗小于2μA；在正常运行状态下，变送器的总功耗在1.2mA左右，持续运行时间小于300ms。电路结构简单，性价比高，能耗小。

另外，本发明还具有其它变形实施例，例如：

(1)所述微控制器为PIC系列或cortex-M3系列或cortex-M0系列的单片机。

(2)所述信号处理器为或AD7793或ADS1246或ADS1247或ADS1248或ADS1220型号的ADC器件；或者，所述信号处理器为由信号调理电路、模数转换电路和处理器单元依次电连接组成的信号处理器。

(3)改变传感元件的类型，也即，所述传感元件为PT100温度传感器。

相对于现有技术，本发明低功耗变送器不仅能够进行待机和运行模式的自动切换，且其在待机模式下的电流功耗小于2μA，大大减少了电源的消耗，有利于节约资源和方便使用，且其电路结构简单。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (9)

1.一种低功耗变送器，其特征在于：包括传感元件、信号处理器、微控制器和输出通信电路；

所述传感元件具有运行和休眠两种工作模式；所述传感元件由微控制器通过信号处理器控制，实现运行模式和休眠模式的自动切换；运行模式的传感元件将测量所得的信息转化为电信号，并传送至信号处理器；

所述信号处理器具有运行和休眠两种工作模式；所述信号处理器通过微控制器的控制，实现运行模式和休眠模式的自动切换；运行模式的信号处理器对所述电信号进行采样，得到采样信号，并传送至微控制器；

所述微控制器具有运行和休眠两种工作模式；所述微控制器通过对自身的控制和输出通信电路，实现休眠模式和运行模式的自动切换；运行模式的微控制器依次唤醒信号处理器和传感元件，并将所述采样信号转化为实际数值，并传送至输出通信电路；

所述输出通信电路具有运行和休眠两种工作模式；所述输出通信电路通过通信终端的控制，实现运行模式和休眠模式的自动切换；运行模式的输出通信电路将所述实际数值发送至通信终端或显示终端。

2.根据权利要求1所述的低功耗变送器，其特征在于：所述微控制器通过UART通信接口或SPI通信接口方式接收由输出通信电路发送的指令，实现从休眠模式切换至运行模式，并控制信号处理器和传感元件由休眠模式切换至运行模式；且所述微控制器通过输出通信电路输出实际数值后，控制信号处理器和传感元件由运行模式切换至休眠模式，并控制自身从运行模式切换至休眠模式。

3.根据权利要求1所述的低功耗变送器，其特征在于：所述微控制器根据传感器测量信号线性化模型将所述采样信号换算为实际数值。

4.根据权利要求2所述的低功耗变送器，其特征在于：所述微控制器的通信接口的接收端与输出通信电路的指令发送端连接，其通信接口的发送端与输出通信电路的实际数值接收端连接，其脉冲信号输出端与信号处理器的串行时钟输入端连接，其采样信号接收端与信号处理器的采样信号输出端连接，其指令输出端与信号处理器的指令接收端连接。

5.根据权利要求4所述的低功耗变送器，其特征在于：所述传感元件的工作激励输入端口与信号处理器的激励信号输出端口连接，其信号输出端依次通过共模滤波电路和差模滤波电路与信号处理器的信号接收端口连接。

6.根据权利要求1所述的低功耗变送器，其特征在于：所述传感元件为压力传感器或温度传感器。

7.根据权利要求1所述的低功耗变送器，其特征在于：所述压力传感器为电桥式压力传感器，所述温度传感器为PT100温度传感器。

8.根据权利要求1所述的低功耗变送器，其特征在于：所述微控制器为MSP430系列或PIC系列或cortex-M3系列或cortex-M0系列的单片机。

9.根据权利要求1所述的低功耗变送器，其特征在于：所述信号处理器为AD7792或AD7793或ADS1246或ADS1247或ADS1248或ADS1220型号的ADC器件。