CN110672175A - 高可靠性三霍尔双向计量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高可靠性三霍尔双向计量装置及方法，其特征在于，包括：分别与MCU连接的三个TMR元件，以及磁铁；所述磁铁固定安装在仪表的转动部件上；三个所述TMR元件的安装平面与转动部件的转动平面平行；三个所述TMR元件包括作为计数TMR的TMR元件A、作为方向判断TMR的TMR元件B和TMR元件C。其采用合理的结构布局简化指针或叶轮无规律转动的脉冲输出，程序算法逻辑简单易实现，计量稳定可靠，特别适宜对功耗要求严格的智能仪表信号采集应用情景。
Description
技术领域
本发明涉及仪表数据采集领域，尤其涉及一种针对仪表的高可靠性三霍尔双向计量装置及方法。
背景技术
随着信息化、智能化以及科技化水平的提升，智能计量技术在水表、电表、燃气表、热量表中的应用也越来越广泛。目前传统仪表数字化抄表中广泛采用在表盘指针上附加磁铁，并通过干簧管或者霍尔器件等电子器件检测指针转动来读取表盘计数，这种方式存在若干问题。
1、设备功耗大。
现有技术中，当干簧管长期闭合时，电路会产生电流消耗，系统功耗较大，如果为了减少功耗，增加电阻的阻值，采样电路的可靠性会降低，无法满足智能仪表信号采样的要求。
2、算法精度差。
在高精度计量时，指针或叶轮在高速旋转，留给设备的采集时间极短。在实际中存在采集不到磁场信号的情况。同时由于实际工作中存在多种干扰源，以及指针或叶轮在传感器附近的行程抖动，导致各种杂波影响方向识别及计数。现有双霍尔双向计量方案检测转动角度范围小,对杂波及磁铁行程抖动保护能力不足,导致长期累积计量误差偏大。
3、双向计量偏差。
双向计量需要识别指针或叶轮转动方向，并在方向明确下进行转动计数。由于转动的不确定性给方向识别带来技术挑战，同时用多个干簧管又大大提高了设备功耗。现有双霍尔双向计量方案需严格检测通过的脉冲波形相位时序,对不符合时序要求的转动无法判断方向，导致双向计量偏差。同时，两霍尔的排列方式要求高，加工工艺要求高。
4、不适应于高速转动。
传统双向转动识别采用双边缘中断捕获方式,需精确记录两个或多个传感器的连续脉冲波形相位时序,算法复杂对嵌入式MCU主频及响应速度要求高。而提高MCU主频又进一步提升功耗。
发明内容
为了克服现有技术当中存在的缺陷和不足，本发明提出了新型的高可靠性三霍尔双向计量装置及方法，其具体采用以下技术方案：
一种高可靠性三霍尔双向计量装置，其特征在于，包括：分别与MCU连接的三个TMR元件，以及磁铁；所述磁铁固定安装在仪表的转动部件上；三个所述TMR元件的安装平面与转动部件的转动平面平行；三个所述TMR元件包括作为计数TMR的TMR元件A、作为方向判断TMR的TMR元件B和TMR元件C。
优选地，所述磁铁在TMR元件的作用磁场角度<90°。
优选地，三个所述TMR元件指向转动部件的转动轴心且以转动轴心为中心点呈三角排布，其中，TMR元件A和TMR元件B的分隔角度为144°；TMR元件B和TMR元件C的分隔角度为72°；TMR元件A和TMR元件C的分隔角度为144°。
优选地，三个所述TMR元件采用TMR1202。
优选地，三个所述TMR元件连接MCU的中断脚，采用单边缘触发机制采集TMR脉冲信号，所述MCU的工作主频满足中断响应速度优于t/10，其中t为转动部件转动一圈的最小周期。
优选地，所述仪表为水表或燃气表或热量表，所述转动部件为指针或叶轮。
以及根据以上装置的高可靠性三霍尔双向计量装置的计量方法，其特征在于：通过转动部件带动磁铁扫过TMR元件，所述TMR元件检测到磁场变化并输出脉冲信号，所述TMR器件输出信号函数如下：
优选地，计量判断方法具体包括以下步骤：
步骤S1：以所述TMR元件A输出的脉冲信号的两次下降沿作为计量周期；
步骤S2：以TMR元件B和TMR元件C输出的脉冲信号最后下降沿出现的先后顺序作为方向判断的依据；
步骤S3：在所述TMR元件A的计量周期内，如果TMR元件B和TMR元件C无脉冲波形产生，则不计数；如果TMR元件B和TMR元件C有脉冲波形产生，则在判断方向之后计数加1。
优选地，在步骤S1和步骤S2之前，对三个所述TMR元件输出的脉冲信号进行低通滤波。
本发明及其优选方案基于3个TMR元件，提出了对高速转动指针或叶轮的双向计量采集方案，其采用合理的结构布局简化指针或叶轮无规律转动的脉冲输出，程序算法逻辑简单易实现，计量稳定可靠，特别适宜对功耗要求严格的智能仪表信号采集应用情景。该方案对TMR元件的布局设计工艺要求低，能够有效降低生产制造的成本；算法简单，支持高速旋转计算同时功耗低，对旋转扰动自适应强，计量精度高，可达到0.01%计量精度。
该低功耗、高稳定双向计量方案，通过合理设计计量TMR，方向TMR空间布局，提高转动检测角度，简化算法，提升高速转动下双向计量可靠性及计量精度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1是本发明实施例装置结构示意图；
图2是本发明实施例指针顺时针方向旋转时TMR输出波形示意图；
图3是本发明实施例指针逆时针方向旋转时TMR输出波形示意图；
图4是本发明实施例方法流程示意图；
图中：1-TMR元件A；2-TMR元件B；3-TMR元件C；4-磁铁；5-指针。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：
如图1所示，以带有指针5的智能水表表盘为例，本实施例装置的主体组件包括：分别与MCU连接的三个TMR元件，以及磁铁4。
为了克服传统智能水表当磁铁在传感器附近抖动（水管水流不稳定引起）时，容易出现频繁误触发问题,导致计量不准，本实施例采用具有CMOS 数字锁存输出的双极型超低功耗隧道磁电阻（TMR），具体可以采用TMR1202，该器件的选用能够保障当磁铁在传感器附近抖动时，不会出现频繁误触发问题。
其中磁铁4固定安装在仪表的指针5上方；三个TMR元件的安装平面与转动部件的转动平面平行，并保证磁铁4在TMR元件的作用磁场角度<90°，从而能够起到简化脉冲波形输出判断的效果。
如图1所示，三个TMR元件包括作为计数TMR的TMR元件A1、作为方向判断TMR的TMR元件B2和TMR元件C3，指向转动部件的转动轴心且以转动轴心为中心点呈三角排布，其中，TMR元件A1和TMR元件B2的分隔角度为144°；TMR元件B2和TMR元件C3的分隔角度为72°；TMR元件A1和TMR元件C3的分隔角度为144°。
三个TMR元件连接MCU的中断脚，采用单边缘触发机制采集TMR脉冲信号，MCU的工作主频满足中断响应速度优于t/10，其中t为转动部件转动一圈的最小周期。
本实施例装置方案同样可以使用在燃气表或热量表上，指针5也可以替换为叶轮。
基于以上装置，本实施例还提供了对应的计量方法，即：通过转动部件带动磁铁4扫过TMR元件，TMR元件检测到磁场变化并输出脉冲信号，TMR器件输出信号函数如下：
如图4所示，本实施例执行的计量判断方法以流程的形式体现具体包括以下步骤：
首先对三个TMR元件输出的脉冲信号进行低通滤波以过滤掉高频抖动。
步骤S1：以TMR元件A1输出的脉冲信号的两次下降沿作为计量周期；
步骤S2：以TMR元件B2和TMR元件C3输出的脉冲信号最后下降沿出现的先后顺序作为方向判断的依据，指针5顺时针方向旋转时3个TMR元件输出波形大致呈现如图2所示的形态，指针5逆时针方向旋转时3个TMR元件输出波形大致呈现如图3所示的形态；
步骤S3：在TMR元件A1的计量周期内，如果TMR元件B2和TMR元件C3无脉冲波形产生，则不计数；如果TMR元件B2和TMR元件C3有脉冲波形产生，则在判断方向之后计数加1。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的高可靠性三霍尔双向计量装置及方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种高可靠性三霍尔双向计量装置，其特征在于，包括：分别与MCU连接的三个TMR元件，以及磁铁；所述磁铁固定安装在仪表的转动部件上；三个所述TMR元件的安装平面与转动部件的转动平面平行；三个所述TMR元件包括作为计数TMR的TMR元件A、作为方向判断TMR的TMR元件B和TMR元件C。
2.根据权利要求1所述的高可靠性三霍尔双向计量装置，其特征在于：所述磁铁在TMR元件的作用磁场角度<90°。
3.根据权利要求1所述的高可靠性三霍尔双向计量装置，其特征在于：三个所述TMR元件指向转动部件的转动轴心且以转动轴心为中心点呈三角排布，其中，TMR元件A和TMR元件B的分隔角度为144°；TMR元件B和TMR元件C的分隔角度为72°；TMR元件A和TMR元件C的分隔角度为144°。
4.根据权利要求1所述的高可靠性三霍尔双向计量装置，其特征在于：三个所述TMR元件采用TMR1202。
5.根据权利要求1所述的高可靠性三霍尔双向计量装置，其特征在于：三个所述TMR元件连接MCU的中断脚，采用单边缘触发机制采集TMR脉冲信号，所述MCU的工作主频满足中断响应速度优于t/10，其中t为转动部件转动一圈的最小周期。
6.根据权利要求1所述的高可靠性三霍尔双向计量装置，其特征在于：所述仪表为水表或燃气表或热量表，所述转动部件为指针或叶轮。
7.根据权利要求1-6其中任一所述的高可靠性三霍尔双向计量装置的计量方法，其特征在于：通过转动部件带动磁铁扫过TMR元件，所述TMR元件检测到磁场变化并输出脉冲信号，所述TMR器件输出信号函数如下：
。
8.根据权利要求7其中任一所述的高可靠性三霍尔双向计量装置的计量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：以所述TMR元件A输出的脉冲信号的两次下降沿作为计量周期；
步骤S2：以TMR元件B和TMR元件C输出的脉冲信号最后下降沿出现的先后顺序作为方向判断的依据；
步骤S3：在所述TMR元件A的计量周期内，如果TMR元件B和TMR元件C无脉冲波形产生，则不计数；如果TMR元件B和TMR元件C有脉冲波形产生，则在判断方向之后计数加1。
9.根据权利要求8其中任一所述的高可靠性三霍尔双向计量装置的计量方法，其特征在于：在步骤S1和步骤S2之前，对三个所述TMR元件输出的脉冲信号进行低通滤波。
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