CN106441479B - 一种低功耗自动控制两个磁阻传感器采样检测的计数装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低功耗自动控制两个磁阻传感器采样检测的计数装置，包括单片机、两个相同的第一开关电路和第二开关电路、两个相同的第三开关电路和第四开关电路、两个相同的第一延迟电路和第二延迟电路以及两个相同的第一磁阻传感器和第二磁阻传感器，单片机通过第一激励控制引脚和激励电源引脚均连接至第一开关电路，第一开关电路连接第一延迟电路，第一延迟电路连接第三开关电路，第三开关电路连接第一磁阻传感器，第一磁阻传感器的信号输出端连接第一采集引脚，第一磁阻传感器的电源供电端连接电源供电引脚，另一半电路对称，实现了单片机在低功耗模式下的正反转计数。

Description

一种低功耗自动控制两个磁阻传感器采样检测的计数装置
技术领域
本发明涉及智能表计系统技术领域，尤其涉及一种低功耗自动控制两个磁阻传感器采样检测的计数装置。
背景技术
智能表计系统中常用的一种技术，是将机械机芯计数器的示值转换为电子数据后进行数据显示和通信，目前普遍采用的转换方式是脉冲计数方式，通常由一个采集与处理电脉冲的单片机、传感器组成，传感器通常放置在机械机芯计数器的发讯磁钢附近，该位置要便于传感器可靠检测，当机械仪表计量时，发讯磁钢就会转动，传感器就会检测到磁场的变化，单片机周期性、间歇性地给传感器供电，通过传感器检测磁钢的旋转变化，进而得到机械机芯计数器的电子读数。
上述单片机工作方式为：休眠+采样，循环往复，单片机的休眠电流通常小于3uA，单片机采样时处于工作模式，假设单片机的工作电流为1mA，两个磁阻传感器的工作电流为4mA，这时单片机的工作电流+采样电流在5mA左右，休眠时间越长、采样时间越短，单片机的静态平均电流就会越小，反之就会越大，假如单片机的循环工作周期是100mS，采样时间是0.2mS，这时单片机的静态平均电流就是3uA+5000uA*0.2mS/100mS＝13uA。
上述传感器通常为干簧管传感器，也有采用磁阻传感器或霍尔传感器的，这三种传感器的采样电流大小情况为：霍尔＞磁阻＞干簧管，该传感器的最小采样单位通常为0.01立方米，这时单片机的静态平均工作电流可以控制在30uA以下，这样智能仪表的使用寿命就可以满足行业标准要求的6+1年；如果将传感器的最小采样单位提高到0.001立方米，势必单片机的采样周期要提高10倍，这样单片机的静态平均电流就会加大10倍，使智能表计的电池使用寿命缩短10倍。
上述技术的缺点是单片机无法在休眠模式下自动完成采样检测计数，为此TI公司利用LC电感进行旋转运动量的测量原理专门设计了一款低功耗MSP430FW427单片机，旋转测量采集部分只需要一个转盘和若干个电感电容,转盘的一半上面覆有阻尼系数相对较大的金属，另一半则是阻尼系数相对较小的塑料，LC谐振电压幅度的衰减和阻尼系数的大小有关，阻尼系数越大LC谐振电压幅度衰减越大，单片机内部的Scan IF模块自动检测电压波形衰减的幅度，就可以判断转盘所处的位置，这样单片机在休眠状态下通过低功耗Scan IF模块自动完成采样检测计数，大大降低了传统单片机定时采样的工作电流，为智能仪表实现升位采样计数提供了平台。
Scan IF模块由三部分组成:模拟前端(AFE)，信号处理状态机(PSM),定时状态机(TSM)，其中，模拟前端由激励电路VCC/2发生器，采样保持器、比较器和DAC几部分元器件组成。单片机对Scan IF模块进行设定后，Scan IF模块能够在单片机处于休眠模式下，不需要单片机干预，自动完成旋转物体的采样检测计数功能，大大降低了单片机的功耗，具体过程为：时序状态机(TSM)自动产生操作时序，先用SIFCHX端口对LC传感器进行激励，然后再对SIFCHX和SIFCIX端口上的信号进行采样检测并转换为数字形式，检测结果自动放入信号处理状态机(PSM)中，根据时序状态机(TSM)和模拟前端(AFE)的输入信号，对比分析存储在MSP430FW427存储器中的状态表，计算出旋转物体的运动圈数和方向，并将结果保存在信号处理状态机(PSM)中，当运动圈数达到规定的数值时，控制中断信号的产生，单片机收到中断信号后进入工作模式，读取信号处理状态机(PSM)里的正反转数据，进而得到机械机芯计数器的电子读数。
发明内容
本发明实施例通过提供一种低功耗自动控制两个磁阻传感器采样检测的计数装置，解决了现有技术中单片机在休眠与工作交替状态下自动采样检测计数时，耗电量大、无法确定正反转的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例的技术方案如下：
一种低功耗自动控制两个磁阻传感器采样检测的计数装置，其特征在于，包括单片机、两个相同的第一开关电路和第二开关电路、两个相同的第三开关电路和第四开关电路、两个相同的第一延迟电路和第二延迟电路以及两个相同的第一磁阻传感器和第二磁阻传感器，所述单片机包括第一采集引脚、第二采集引脚、第一激励控制引脚、第二激励控制引脚、电源供电引脚、激励电源引脚、接地引脚，单片机通过第一激励控制引脚和激励电源引脚均连接至第一开关电路，第一开关电路连接第一延迟电路，第一延迟电路连接第三开关电路，第三开关电路连接第一磁阻传感器的接地端，第一磁阻传感器的信号输出端连接第一采集引脚，第一磁阻传感器的电源供电端连接电源供电引脚；单片机通过第二激励控制引脚和激励电源引脚均连接至第二开关电路，第二开关电路连接第二延迟电路，第二延迟电路连接第四开关电路，第四开关电路连接第二磁阻传感器的接地端，第二磁阻传感器的信号输出端连接第二采集引脚，第二磁阻传感器的电源供电端连接电源供电引脚；第一、第三开关电路以及第一延迟电路均连接至接地引脚，第二、第四开关电路以及第二延迟电路均连接至接地引脚；
所述第一磁阻传感器和第二磁阻传感器成预设角度的相位差，所述单片机处于休眠状态时，单片机中的检测模块检测到两个磁阻传感器输出第一预设规律的电平信号时，确定计数指针正向旋转，当检测模块检测到两个磁阻传感器输出第二预设规律的电平信号时，确定计数指针反向旋转。进一步地，所述第一开关电路和第二开关电路均具体包括第一电阻、第二电阻、第一三极管，第一开关电路的第一三极管的发射极与激励电源引脚连接，第一开关电路的第一三级管的基极通过第一开关电路的第一电阻与第一激励控制引脚连接，第一开关电路的第一三级管的集电极通过第一开关电路的第二电阻与接地引脚连接；第二开关电路的第一三极管的发射极与激励电源引脚连接，第二开关电路的第一三级管的基极通过第二开关的第一电阻与第二激励控制引脚连接，第二开关电路的第一三级管的集电极通过第二开关电路的第二电阻与接地引脚连接。
进一步地，所述第一开关电路中的第二电阻并联电容构成第一延迟电路，所述第二开关电路中的第二电阻并联电容构成第二延迟电路。
进一步地，所述第三开关电路和第四开关电路均包括第三电阻和第二三极管，所述第三开关电路的第二三极管的基极通过第三开关电路中的第三电阻连接第一开关电路中的第一三极管的集电极，第三开关电路中的第二三极管的发射极连接接地引脚，第三开关电路中的第二三极管的集电极连接第一磁阻传感器的接地端；所述第四开关电路的第二三极管的基极通过第四开关电路中的第三电阻连接第二开关电路中的第一三极管的集电极，第四开关电路中的第二三极管的发射极连接接地引脚，第四开关电路中的第二三极管的集电极连接第二磁阻传感器的接地端。
本发明实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
由于在采用由单片机、相同的第一开关电路和第二开关电路、相同的第三开关电路和第四开关电路、相同的第一延迟电路和第二延迟电路以及相同的第一磁阻传感器和第二磁阻传感器形成计数装置中，两个磁阻传感器呈预设角度的相位差，通过单片机处于休眠状态下，单片机中的检测模块检测到两个磁阻传感器输出第一预设规律的电平信号时，确定计数指针正向旋转并计数，当检测模块检测到两个磁阻传感器输出第二预设规律的电平信号时，确定计数指针反向旋转并计数，进而实现单片机低功耗状态下的自动控制两个磁阻传感器采样检测正反转计数。
附图说明
图1为本发明实施例中低功耗自动控制两个磁阻传感器采样检测的计数装置的原理模块示意图；
图2为本发明实施例中低功耗自动控制两个磁阻传感器采样检测的计数装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种低功耗自动控制两个磁阻传感器采样检测的计数装置，解决了现有技术中单片机在休眠与工作交替状态下自动采样检测计数时，耗电量大、无法确定正反转计数的技术问题。
为了解决上述现有技术中存在的缺点，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本发明实施例提供了一种低功耗自动控制两个磁阻传感器采样检测的计数装置，如图1所示，包括单片机10，两个相同的第一开关电路1011、第二开关电路1012，两个相同的第三开关电路1021、第四开关电路1022，两个相同的第一延迟电路1031、第二延迟电路1032，以及两个相同的第一磁阻传感器1041、第二磁阻传感器1042，该单片机10包括第一采集引脚SIFCI0、第二采集引脚SIFCI1，激励电源引脚SIFCOM，第一激励控制引脚SIFCH0、第二激励控制引脚SIFCH1，电源供电引脚VCC、接地引脚Vss，单片机10的第一激励控制引脚SIFCH0和激励电源引脚SIFCOM均连接第一开关电路1011，第一开关电路1011连接第一延迟电路1031，第一延迟电路1031连接第三开关电路1021，第三开关电路1021连接第一磁阻传感器1041的接地端，第一磁阻传感器1041的电源输入端连接单片机10的电源供电引脚VCC，第一磁阻传感器1041的信号输出端连接第一采集引脚SIFCI0，第一开关电路1011、第一延迟电路1031、第三开关电路1021均连接单片机10的接地引脚Vss。同理，单片机10的第二激励控制引脚SIFCH1和激励电源引脚SIFCOM均连接第二开关电路1012，第二开关电路1012连接第二延迟电路1032，第二延迟电路1032连接第四开关电路1022，第四开关电路1022连接第二磁阻传感器1042的接地端，第二磁阻传感器1042的电源输入端连接单片机10的电源供电引脚VCC，第二磁阻传感器1042的信号输出端连接第二采集引脚SIFCI1，第二开关电路1012、第二延迟电路1032、第四开关电路1022均连接单片机10的接地引脚Vss。
单片机10以MSP430FW427单片机，磁阻传感器1041和1042以MRUS72S传感器为例进行说明。
由于第一磁阻传感器1041与第二磁阻传感器1042之间呈预设角度的相位差，相位差以152度为例进行描述。这样，两个磁阻传感器在检测旋转磁钢时就会输出4种状态，计数指针上的磁钢正转时，两个磁阻传感器的输出会按00-01-11-10循环规律的第一预设规律电平信号变化，计数指针上的磁钢反转时，两个磁阻传感器的输出就会按照00-10-11-01循环规律的第二预设规律的电平信号变化。从而实现正反转的计数，单片机10通过相应算法得到仪表的当前累计读数，正向累计读数，反向累计读数，为水表管理部门及时了解用户违规反装水表提供了依据。
在具体的实施方式中，该单片机10在休眠状态下，实现自动采样检测计数的功能，由于该单片机的检测模块控制以10mS为周期，对第一磁阻传感器1041和第二磁阻传感器1042检测，该第一开关电路1011，第一延迟电路1031，第三开关电路1021以及第一磁阻传感器1041构成第一外挂低功耗控制电路，该第二开关电路1012，第二延迟电路1032，第四开关电路1022以及第二磁阻传感器1042构成第二外挂低功耗控制电路，在一周期内以20uS时间处于工作状态，由于单个外挂低功耗控制电路工作时的电流是3.5mA，这样，整个外挂低功耗控制电路的平均工作电流就是2*3.5mA*20uS/10000uS＝14uA。单片机休眠时小于3uA的工作电流，这样该装置的静态平均工作电流就是17uA，低于行业标准要求的30uA，实现了低功耗自动控制两个磁阻传感器采样检测正反转计数的目的，将最小电子计量单位由0.01立方米轻松提高到0.001立方米中。
具体地，第一激励控制引脚平时输出高电平，第一外挂低功耗控制电路不工作，电流消耗为零，在输出低电平时，第一开关电路1011工作，第一延迟电路1031工作，经过延迟整形之后，使得第三开关电路1021工作，第一磁阻传感器1041上电，第一磁阻传感器1041开始工作，该第一磁阻传感器1041工作时长由激励脉冲的宽度决定，什么时候开始工作由第一延迟电路1031决定，当第一磁阻传感器1041没有检测到磁场时，输出“0”电平，当第一磁阻传感器1041检测到磁场时，输出“1”电平，实现磁场变化的模拟量到数字量的转换，进而由单片机10自动实现采样检测计数功能。
具体地，如图2所示，第一开关电路1011具体包括第一电阻R01、第二电阻R02、第一三极管Q01，第一开关电路1011中的第一三极管Q01的发射极与单片机10的激励电源引脚SIFCOM连接，第一开关电路1011中第一三级管Q01的基极通过第一电阻R01与单片机10的第一激励控制引脚SIFCH0连接，第一开关电路1011的第一三级管Q01的集电极通过第一开关电路1011中的第二电阻R02与单片机10的接地引脚Vss连接。
第一延迟电路1031由第一开关电路1011中的第二电阻与电容C01并联构成。第三开关电路1021包括第三电阻R03和第二三极管Q02，第三开关电路1021中的第二三极管Q02的基极通过第三开关电路1021中的第三电阻R03连接第一开关电路1011中的第一三极管Q01的集电极，第三开关电路1021中的第二三极管Q02的发射极连接单片机10的接地引脚Vss，第二三极管Q02的集电极连接第一磁阻传感器1041的接地端。第一开关电路1011中的第二电阻R02与第一延迟电路1031中的第二电阻R02共用。
另一半镜像对称，第二开关电路1012具体包括第一电阻R11、第二电阻R12、第一三极管Q11，第一三极管Q11的发射极与单片机10的激励电源引脚SIFCOM连接，第一三级管Q11的基极通过第一电阻R11与单片机10的第二激励控制引脚SIFCH1连接，第一三级管Q11的集电极通过第二电阻R12与单片机10的接地引脚Vss连接。第二延迟电路1032包括第二电阻R12和电容C11，该电容C11并联在第二电阻R12两端。第四开关电路1022包括第三电阻R13和第二三极管Q12，第二三极管Q12的基极通过第三电阻R13连接第一三极管Q11的集电极，第二三极管Q12的发射极连接单片机10的接地引脚Vss，第二三极管Q12的集电极连接第二磁阻传感器1042的接地端。第二开关电路1012中的第二电阻R12与第二延迟电路1032中的第二电阻R12共用。
因此，通过上述的技术方案能够实现在单片机休眠状态下的低功耗计数，同时，能够实现正反转计数，为水表管理部门及时了解用户违规反装水表提供了依据。
在本发明中，利用单片机内部检测模块在低功耗模式下自动完成无磁传感器采样检测计数的功能特点，在加入了外挂低功耗控制电路后，实现了低功耗自动控制两个磁阻传感器采样检测正反转计数，如果将除磁阻传感器以外的外挂低功耗控制电路集成在单片机的检测模块中，将会增加单片机的功能。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种低功耗自动控制两个磁阻传感器采样检测的计数装置，其特征在于，包括单片机、两个相同的第一开关电路和第二开关电路、两个相同的第三开关电路和第四开关电路、两个相同的第一延迟电路和第二延迟电路以及两个相同的第一磁阻传感器和第二磁阻传感器；
所述单片机包括第一采集引脚、第二采集引脚、第一激励控制引脚、第二激励控制引脚、电源供电引脚、激励电源引脚、接地引脚；
单片机通过第一激励控制引脚和激励电源引脚均连接至第一开关电路，第一开关电路连接第一延迟电路，第一延迟电路连接第三开关电路，第三开关电路连接第一磁阻传感器的接地端，第一磁阻传感器的信号输出端连接第一采集引脚，第一磁阻传感器的电源供电端连接电源供电引脚；
单片机通过第二激励控制引脚和激励电源引脚均连接至第二开关电路，第二开关电路连接第二延迟电路，第二延迟电路连接第四开关电路，第四开关电路连接第二磁阻传感器的接地端，第二磁阻传感器的信号输出端连接第二采集引脚，第二磁阻传感器的电源供电端连接电源供电引脚；
第一、第三开关电路以及第一延迟电路均连接至接地引脚，第二、第四开关电路以及第二延迟电路均连接至接地引脚；
所述第一磁阻传感器和第二磁阻传感器成预设角度的相位差，所述单片机处于休眠状态时，单片机中的检测模块检测到两个磁阻传感器输出第一预设规律的电平信号时，确定计数指针正向旋转并正向计数，当检测模块检测到两个磁阻传感器输出第二预设规律的电平信号时，确定计数指针反向旋转并反向计数。
2.根据权利要求1所述的低功耗自动控制两个磁阻传感器采样检测的计数装置，其特征在于，所述第一开关电路和第二开关电路均具体包括第一电阻、第二电阻、第一三极管；
第一开关电路的第一三极管的发射极与激励电源引脚连接，第一开关电路的第一三级管的基极通过第一开关电路的第一电阻与第一激励控制引脚连接，第一开关电路的第一三级管的集电极通过第一开关电路的第二电阻与接地引脚连接；
第二开关电路的第一三极管的发射极与激励电源引脚连接，第二开关电路的第一三级管的基极通过第二开关的第一电阻与第二激励控制引脚连接，第二开关电路的第一三级管的集电极通过第二开关电路的第二电阻与接地引脚连接。
3.根据权利要求1所述的低功耗自动控制两个磁阻传感器采样检测的计数装置，其特征在于，所述第一开关电路中的第二电阻并联电容构成第一延迟电路，所述第二开关电路中的第二电阻并联电容构成第二延迟电路。
4.根据权利要求1所述的低功耗自动控制两个磁阻传感器采样检测的计数装置，其特征在于，所述第三开关电路和第四开关电路均包括第三电阻和第二三极管；
所述第三开关电路中的第二三极管的基极通过第三开关电路中的第三电阻连接第一开关电路中的第一三极管的集电极，第三开关电路中的所述第二三极管的发射极连接接地引脚，第三开关电路中的第二三极管的集电极连接第一磁阻传感器的接地端；
所述第四开关电路的第二三极管的基极通过第四开关电路中的第三电阻连接第二开关电路中的第一三极管的集电极，第四开关电路中的所述第二三极管的发射极连接接地引脚，第四开关电路中的第二三极管的集电极连接第二磁阻传感器的接地端。
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