CN104678912B - 由多个传感器构成的测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由多个传感器构成的测量系统。多个传感器通过总线耦接在一起，每一个传感器的物理结构相同并且包括主系统部分和从系统部分。本发明的测量系统包括：一个主传感器，所述主传感器的主系统部分激活，用于收集、汇总、分析来自所有从传感器的信息和/或来自所述主传感器本身的信息；多个从传感器，每个所述从传感器的主系统部分休眠、从系统部分激活，用于采集信息并处理、并且将采集和处理的信息传递给所述主传感器，其中，当所述主传感器发生故障时，所述多个从传感器之一切换成新的主传感器。本发明的测量系统复杂性低、支持多机热备份且对环境耐受性强。

Description

由多个传感器构成的测量系统
技术领域
本发明涉及计量测试领域，尤其涉及由多个传感器构成的测量系统。
背景技术
现有技术中的测量系统，往往通过多个传感器采集信号，然后汇总到一个计算机或仪表进行信息处理，然后统一输出。系统实现复杂，成本高。而且，计算机或仪表对环境的耐受等级和传感器相比较低。此外，当仪表或计算机出现故障时，整个测量系统不能正常工作。
发明内容
应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本发明提供进一步的解释。本发明提供了一种复杂性降低、支持多机热备份且对环境耐受性强的由多个传感器构成的测量系统。
根据本发明一方面，提供了一种由多个传感器构成的测量系统，所述多个传感器通过总线耦接在一起，每一个所述传感器的物理结构相同并且包括主系统部分和从系统部分，所述测量系统包括：一个主传感器，所述主传感器的主系统部分激活，用于收集、汇总、分析来自所有从传感器的信息和/或来自所述主传感器本身的信息；多个从传感器，每个所述从传感器的主系统部分休眠、从系统部分激活，用于采集信息并处理、并且将采集和处理的信息传递给所述主传感器，其中，当所述主传感器发生故障时，所述多个从传感器之一切换成新的主传感器。
根据本方面又一方面，所述多个从传感器包括：至少一个监视传感器，所述监视传感器监视所述主传感器的状态以判断所述主传感器是否发生故障，其中，在所述主传感器发生故障时，所述监视传感器之一切换为所述新的主传感器。
根据本方面又一方面，所述多个从传感器包括：至少一个守护传感器，所述守护传感器监视所述主传感器和所述监视传感器的状态以判断是否发生故障，其中，在所述主传感器发生故障时，所述监视传感器还要求所述守护传感器选择一个新的从传感器成为新的监视传感器。
根据本方面又一方面，所述监视传感器还监视所述守护传感器的状态以判断所述守护传感器是否发生故障，其中，在所述守护传感器发生故障时，所述监视传感器直接指定一个新的从传感器成为新的守护传感器。
根据本方面又一方面，所述多个从传感器包括一个监视传感器，其中，在所述主传感器发生故障时，所述一个监视传感器直接切换为所述新的主传感器。
根据本方面又一方面，所述多个从传感器包括两个或更多个监视传感器，其中，在所述主传感器发生故障时，所述两个或更多个监视传感器中的一个根据以下方式切换为所述新的主传感器：第一监视传感器的主系统部分激活，并且将一第一主系统请求广播至测量系统中的其他监视传感器，所述第一主系统请求是意图成为主传感器的请求并且包含所述第一监视传感器的编号；确定在第一阈值时间内是否有来自其他监视传感器的主系统请求；如果在第一阈值时间内有来自其他监视传感器的主系统请求，则读取和来自其他监视传感器的主系统请求有关的信息并且判断是否放弃所述第一主系统请求；如果不放弃所述第一主系统请求，则确定在第二阈值时间内是否接收到来自所有其他监视传感器的对所述第一主系统请求的确认；如果在第二阈值时间内接收到来自所有其他监视传感器的对所述第一主系统请求的确认，则将所述第一监视传感器切换成为所述新的主传感器。
根据本方面又一方面，如果在第一阈值时间内没有来自其他监视传感器的主系统请求，则确定在第二阈值时间内是否接收到来自所有其他监视传感器的对所述第一主系统请求的确认。
根据本方面又一方面，如果放弃所述第一主系统请求，则所述第一监视传感器的主系统部分休眠并且继续作为监视传感器工作，根据一规则将发出主系统请求的其余监视传感器中的一个监视传感器切换成所述新的主传感器。
根据本方面又一方面，所述规则是以下之一：地址编号最小优先、地址编号最大优先、时间优先。
根据本方面又一方面，每个所述传感器的主系统部分包括：唯一的主系统识别标志，识别所述主传感器；信息汇总模块，所述信息汇总模块收集、汇总、分析来自所有从传感器的信息；以及对从系统部分通讯模块，所述对从系统部分通讯模块与所述主系统部分属于同一传感器中的从系统部分进行数据交互，通知测量系统中的所有其他传感器已存在主传感器而不需要激活所有其他传感器的主系统部分。
根据本方面又一方面，每个所述传感器的主系统部分还包括：系统通讯模块，所述系统通讯模块向外输出从所有从传感器汇总的信息，并且接受并解释外部设备对所述测量系统的命令或信息请求；以及系统配置模块，由系统通讯模块访问、并且用于测量系统的参数读取和参数配置。
根据本方面又一方面，每个所述传感器的从系统部分包括：信息采集及处理模块，所述信息采集及处理模块采集信息并处理；以及从传感器通讯模块，所述从传感器通讯模块将采集和处理的信息传递给所述主传感器。
根据本方面又一方面，每个所述传感器的从系统部分还包括：从系统号，用于区分测量系统中不同的传感器的从系统部分；传感器配置模块，与本传感器内的或者是同一网络其他传感器内的主系统部分中的系统配置模块通过对从传感器通讯模块进行通讯，传递有关传感器配置的测量参数信息并将该信息写入所在传感器的数据存储器中；故障自诊断模块，诊断从系统部分所属的传感器或测量系统中是否发生故障。
根据本方面又一方面，每个所述监视传感器的从系统部分还包括一故障诊断模块，用于判断所述主传感器和所述守护传感器是否发生故障。
根据本方面又一方面，每个所述守护传感器的从系统部分还包括一故障诊断模块，用于判断所述主传感器和所述监视传感器是否发生故障。
根据本方面又一方面，同一数字传感器的主系统部分和从系统部分可以存在于同一个电路板上，或者各自存在于不同的电路板上。
根据本方面又一方面，所述电路板可以安装在传感器内部，或者安装在传感器外部。
应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本发明提供进一步的解释。
附图说明
包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：
图1示出根据本发明一实施例的由多个传感器构成的测量系统。
图2示出根据本发明一实施例的主传感器和从传感器的内部功能模块图。
图3示出根据本发明一实施例的监视传感器和守护传感器的内部功能模块图。
图4示出根据本发明一实施例的在主传感器发生故障后、多个监视传感器竞争成为主传感器的方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。
图1示出根据本发明一实施例的由多个传感器构成的测量系统。在测量系统100中，多个传感器通过总线耦接在一起，每一个传感器的物理结构相同并且包括主系统部分和从系统部分。测量系统100包括：一个主传感器110以及多个从传感器120。主传感器110的主系统部分激活，用于收集、汇总、分析来自所有从传感器和/或来自主传感器110本身的信息。在一实施例中，主传感器110的从系统部分激活，则主传感器110除了收集、汇总、分析来自所有从传感器的信息以外，还能收集、汇总、分析来自主传感器110本身的信息。在另一实施例中，主传感器110的从系统部分休眠，因此主传感器110仅能收集、汇总、分析来自所有从传感器的信息。每个从传感器120的主系统部分休眠、从系统部分激活，用于采集信息并处理、并且将采集和处理的信息传递给主传感器110。当主传感器110发生故障时，多个从传感器120之一切换成新的主传感器。
根据本发明一实施例，多个从传感器120包括至少一个监视传感器122。监视传感器122监视主传感器110的状态以判断主传感器110是否发生故障，其中，在主传感器110发生故障时，监视传感器122之一切换为新的主传感器。
根据本发明一实施例，多个从传感器120还包括至少一个守护传感器124。守护传感器124监视主传感器110和监视传感器122的状态以判断是否发生故障。其中，在主传感器110发生故障时，监视传感器122还要求守护传感器124选择一个新的从传感器成为新的监视传感器。
根据本发明一实施例，监视传感器122还监视守护传感器124的状态以判断守护传感器124是否发生故障，其中，在守护传感器124发生故障时，监视传感器122直接指定一个新的从传感器成为新的守护传感器。
根据本发明一实施例，多个从传感器120还包括既非监视传感器、又非守护传感器的从传感器126，从传感器126用于采集信息，并且在彼此间通讯。
每个传感器的软件和硬件均是一致的。具体而言，主传感器110、监视传感器122、守护传感器124和从传感器126在物理上都是相同的，只不过由于功能配置的不同，在常见的“从”传感器功能以外，分别承担其他相应的功能。对于每个传感器而言，其内部的功能配置是相同的。主传感器、从传感器的唯一区别是其中的主系统部分是否被激活。
如图1所示，多个传感器通过现场总线130构成测量系统。主传感器与从传感器之间的数据交互通过现场总线130完成，主传感器与系统外部设备间的数据交互也通过同一物理现场总线完成。总线130可以是菊花链，星型或树形等等。具体而言，总线130可以为以下的任意一种：Foundation Field Bus、PROFIBUS、CAN/CAN OPEN、DeviceNet、LonWorks、ControlNet、CC-Link、CompoNet和Industrial Ethernet。
由于所有传感器的通讯物理层都连接在一起，所以任何一个传感器的内部故障只要不影响到通讯物理层的连接，都不会影响新的主传感器与上级设备以及其它从传感器之间的通讯。
根据本发明的测量系统工作前，首先配置某一个传感器为主传感器，激活该主传感器内的主系统部分。然后组网，通过主传感器中的主系统部分向网内其它传感器发出广播命令，该命令中包括主系统识别标志，主系统部分所在传感器的编号等信息。而此时，其它传感器内的主系统部分处于休眠状态，仅由从系统部分回应。从系统部分记录下主传感器的编号后，回发确认信息，并在主传感器内的主系统部分中记录所有从传感器的编号（也包括主传感器内的从系统部分的编号），构成主从网络。各从系统根据主传感器内的主系统部分的要求回发称重数据或状态数据，正式进入系统通讯模式。
主传感器110、监视传感器122、守护传感器124和从传感器126的功能将在以下图2－3的描述中进一步详述。
图2示出根据本发明一实施例的主传感器和从传感器的内部功能模块图。如图2所示，主传感器（图1附图标记110所示）和从传感器（图1附图标记126所示）的每一个传感器包括主系统部分210和从系统部分220。在本发明一实施例中，主传感器和从传感器的主系统部分210包括：唯一的主系统识别标志211，识别所述主传感器；信息汇总模块212，所述信息汇总模块212收集、汇总、分析来自所有从传感器的信息；以及对从系统部分通讯模块213，所述对从系统部分通讯模块213与所述主系统部分210属于同一传感器中的从系统部分进行数据交互，通知测量系统中的所有其他传感器已存在主传感器而不需要激活所有其他传感器的主系统部分。
在本发明一实施例中，主传感器和从传感器的主系统部分210还包括：系统通讯模块214，所述系统通讯模块向外输出从所有从传感器汇总的信息，并且接受并解释外部设备对所述测量系统的命令或信息请求；以及系统配置模块215，由系统通讯模块访问、并且用于测量系统的参数读取和参数配置。
在本发明一实施例中，主传感器和从传感器的从系统部分220包括：信息采集及处理模块221，所述信息采集及处理模块采集信息并处理；以及从传感器通讯模块222，所述从传感器通讯模块将采集和处理的信息传递给所述主传感器。
在本发明一实施例中，每个所述传感器的从系统部分220还包括：从系统号223，用于区分测量系统中不同的传感器的从系统部分；传感器配置模块224，与本传感器内的或者是同一网络其他传感器内的主系统部分210中的系统配置模块215通过对从传感器通讯模块222进行通讯，传递有关传感器配置的测量参数信息并将该信息写入所在传感器的数据存储器中，测量参数信息例如容量、标定数据等等；以及故障自诊断模块225，诊断从系统部分所属的传感器或测量系统中是否发生故障。
图3示出根据本发明一实施例的监视传感器和守护传感器的内部功能模块图。如图3所示，监视传感器（图1附图标记122所示）和守护传感器（图1附图标记124所示）的每一个传感器包括主系统部分310和从系统部分320。图3所示的主系统部分310与图2所示的主系统部分210相同。图3所示的从系统部分320与图2所示的从系统部分220的区别仅在于，从系统部分320还包括一故障诊断模块326，用于判断所述主传感器和所述守护传感器是否发生故障，除此以外的从系统部分320与从系统部分220均相同，故在此不予赘述。
在本发明一实施例中，同一传感器的主系统部分和从系统部分各自存在于不同的电路板上。该电路板可以安装在传感器内部，或者安装在传感器外部。
在本发明又一实施例中，同一传感器的主系统部分和从系统部分可以存在于同一个电路板。该电路板可以安装在传感器内部，或者安装在传感器外部。
图4示出根据本发明一实施例的在主传感器发生故障后、多个监视传感器竞争成为主传感器的方法的流程图。在图4所示的方法所对应的实施例中，测量系统中包括两个或更多个监视传感器，在主传感器发生故障时，两个或更多个监视传感器之一根据方法400切换为所述新的主传感器。在步骤S401，一个当前的监视传感器的主系统部分激活，并且将一第一主系统请求广播至测量系统中的其他监视传感器，第一主系统请求是意图成为主传感器的请求并且包含当前的监视传感器的编号。在步骤S402，确定在第一阈值时间内是否有来自其他监视传感器的主系统请求。如果在步骤S402确定在第一阈值时间内没有来自其他监视传感器的主系统请求，则继续执行步骤S404。如果在步骤S402确定在第一阈值时间内有来自其他监视传感器的主系统请求，则继续步骤S403。在步骤S403，读取和来自其他监视传感器的主系统请求有关的信息并且判断是否放弃第一主系统请求。如果在步骤S403确定不放弃所述第一主系统请求，则继续执行步骤S404。如果在步骤S403确定放弃所述第一主系统请求，则继续步骤S406。在步骤S406，当前监视传感器的主系统部分休眠，并且根据一规则将发出主系统请求的其余监视传感器中的一个监视传感器切换成新的主传感器。规则可以是以下之一：地址编号最小优先、地址编号最大优先、时间优先。等测量系统组网完成后，第一监视传感器进入从传感器工作模式，继续原先的监视传感器的工作。
在步骤S404，确定在第二阈值时间内是否接收到来自所有其他监视传感器的对所述第一主系统请求的确认。如果在步骤S404确定在第二阈值时间内未接收到来自所有其他监视传感器的对所述第一主系统请求的确认，则继续返回步骤S404，直到接收到来自所有其他监视传感器的确认为止。如果在步骤S404确定在第二阈值时间内接收到来自所有其他监视传感器的对所述第一主系统请求的确认，则继续执行步骤S405。在步骤405，将当前的监视传感器切换成为新的主传感器，同时，将所有从传感器的编号记录在本地数据库中，完成组网并进入正常通讯模式。
本发明将其中的仪表功能与传感器功能融合后，产生一个主传感器，这样，优化了系统。同时，允许在主传感器发生故障时，由其它从传感器主动接替，提高了系统可靠性。本发明的测量系统支持自动的多冗余切换。本发明的测量系统至少实现了以下好处：（1）降低了系统复杂性。主传感器除了承担自身的传感测量点任务外，同时承担信息收集汇总任务。（2）提高系统可靠性。系统中任何一个传感器都具备承担主传感器的能力，相当于多机热备份。当当前的主传感器发生故障时，剩余的各传感器通过一定的机制进行协商，产生新的主传感器，继续完成测量系统的信息收集、汇总、分析任务。（3）提高系统对环境的耐受度。由于传感器的环境耐受等级远比仪表或者计算机要高，没有仪表或者计算机的测量系统能耐受更高的环境严酷度。
本领域技术人员可显见，可对本发明的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改和变型。

Claims (17)

1.一种由多个传感器构成的测量系统，所述多个传感器通过总线耦接在一起，其特征在于，每一个所述传感器的物理结构相同并且包括主系统部分和从系统部分，所述测量系统包括：
一个主传感器，所述主传感器的主系统部分激活，用于收集、汇总、分析来自所有从传感器的信息和/或来自所述主传感器本身的信息；
多个从传感器，每个所述从传感器的主系统部分休眠、从系统部分激活，用于采集信息并处理、并且将采集和处理的信息传递给所述主传感器，
其中，当所述主传感器发生故障时，所述多个从传感器之一切换成新的主传感器。
2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述多个从传感器包括：
至少一个监视传感器，所述监视传感器监视所述主传感器的状态以判断所述主传感器是否发生故障，其中，在所述主传感器发生故障时，所述监视传感器之一切换为所述新的主传感器。
3.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述多个从传感器包括：
至少一个守护传感器，所述守护传感器监视所述主传感器和所述监视传感器的状态以判断是否发生故障，
其中，在所述主传感器发生故障时，所述监视传感器还要求所述守护传感器选择一个新的从传感器成为新的监视传感器。
4.如权利要求3所述的测量系统，其特征在于，所述监视传感器还监视所述守护传感器的状态以判断所述守护传感器是否发生故障，
其中，在所述守护传感器发生故障时，所述监视传感器直接指定一个新的从传感器成为新的守护传感器。
5.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述多个从传感器包括一个监视传感器，其中，在所述主传感器发生故障时，所述一个监视传感器直接切换为所述新的主传感器。
6.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述多个从传感器包括两个或更多个监视传感器，其中，在所述主传感器发生故障时，所述两个或更多个监视传感器中的一个根据以下方式切换为所述新的主传感器：
第一监视传感器的主系统部分激活，并且将一第一主系统请求广播至测量系统中的其他监视传感器，所述第一主系统请求是意图成为主传感器的请求并且包含所述第一监视传感器的编号；
确定在第一阈值时间内是否有来自其他监视传感器的主系统请求；
如果在第一阈值时间内有来自其他监视传感器的主系统请求，则读取和来自其他监视传感器的主系统请求有关的信息并且判断是否放弃所述第一主系统请求；
如果不放弃所述第一主系统请求，则确定在第二阈值时间内是否接收到来自所有其他监视传感器的对所述第一主系统请求的确认；
如果在第二阈值时间内接收到来自所有其他监视传感器的对所述第一主系统请求的确认，则将所述第一监视传感器切换成为所述新的主传感器。
7.如权利要求6所述的测量系统，其特征在于，如果在第一阈值时间内没有来自其他监视传感器的主系统请求，则确定在第二阈值时间内是否接收到来自所有其他监视传感器的对所述第一主系统请求的确认。
8.如权利要求6所述的测量系统，其特征在于，如果放弃所述第一主系统请求，则所述第一监视传感器的主系统部分休眠并且继续作为监视传感器工作，根据一规则将发出主系统请求的其余监视传感器中的一个监视传感器切换成所述新的主传感器。
9.如权利要求8所述的测量系统，其特征在于，所述规则是以下之一：地址编号最小优先、地址编号最大优先、时间优先。
10.如权利要求1－9任一项所述的测量系统，其特征在于，每个所述传感器的主系统部分包括：
唯一的主系统识别标志，识别所述主传感器；
信息汇总模块，所述信息汇总模块收集、汇总、分析来自所有从传感器的信息；以及
对从系统部分通讯模块，所述对从系统部分通讯模块与所述主系统部分属于同一传感器中的从系统部分进行数据交互，通知测量系统中的所有其他传感器已存在主传感器而不需要激活所有其他传感器的主系统部分。
11.如权利要求10所述的测量系统，其特征在于，每个所述传感器的主系统部分还包括：
系统通讯模块，所述系统通讯模块向外输出从所有从传感器汇总的信息，并且接受并解释外部设备对所述测量系统的命令或信息请求；以及
系统配置模块，由系统通讯模块访问、并且用于测量系统的参数读取和参数配置。
12.如权利要求1－9任一项所述的测量系统，其特征在于，每个所述传感器的从系统部分包括：
信息采集及处理模块，所述信息采集及处理模块采集信息并处理；以及
从传感器通讯模块，所述从传感器通讯模块将采集和处理的信息传递给所述主传感器。
13.如权利要求12所述的测量系统，其特征在于，每个所述传感器的从系统部分还包括：
从系统号，用于区分测量系统中不同的传感器的从系统部分；
传感器配置模块，与本传感器内的或者是同一网络其他传感器内的主系统部分中的系统配置模块通过对从传感器通讯模块进行通讯，传递有关传感器配置的测量参数信息并将所述信息写入所在传感器的数据存储器中；以及
故障自诊断模块，诊断从系统部分所属的传感器或测量系统中是否发生故障。
14.如权利要求13所述的测量系统，其特征在于，每个所述监视传感器的从系统部分还包括一故障诊断模块，用于判断所述主传感器和所述守护传感器是否发生故障。
15.如权利要求13所述的测量系统，其特征在于，每个所述守护传感器的从系统部分还包括一故障诊断模块，用于判断所述主传感器和所述监视传感器是否发生故障。
16.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，同一数字传感器的主系统部分和从系统部分可以存在于同一个电路板上，或者各自存在于不同的电路板上。
17.如权利要求16所述的测量系统，其特征在于，所述电路板可以安装在传感器内部，或者安装在传感器外部。
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