CN204115742U - 一种低功耗无线仪表实现装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及低功耗无线数据采集仪表领域，具体地说是一种低功耗无线仪表实现装置，包括主控模块、显示模块、主变量采集模块、温度采集模块、无线收发模块和接口模块，电源模块包括依次连接的电池、DC-DC电源芯片和EVM调整电路，为装置供电；电压采集模块连接到主控单元，采集电池电压信号。本实用新型通过对无线仪表主要功能进行合理的划分，将仪表的功能进行模块化，在规定的时间给具体的模块供电，同时严格控制各功能模块的工作时间，形成了一个系统的功耗降低实现装置。

Description

一种低功耗无线仪表实现装置

技术领域

本实用新型涉及低功耗无线数据采集仪表领域，具体地说是一种低功耗无线仪表实现装置。 

背景技术

随着物联网技术的发展，传统的有线仪表逐渐在被无线仪表所替代。但是在无线仪表的设计过程中，仪表整体的功耗成为最大的设计瓶颈。 

因为无线仪表只能通过电池进行供电才能够达到无线的目的，并且仪表采用的无线发射接收模块，在发送接收数据的过程中消耗的电流很大，通常达到几十甚至上百mA，这对于电池供电的设备来说，是很大的负担。 

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型通过对无线仪表主要功能进行合理的划分，将仪表的功能进行模块化。在规定的时间给具体的模块供电，同时严格控制各功能模块的工作时间，形成了一个系统的功耗降低实现装置。 

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是： 

一种低功耗无线仪表实现装置，包括主控模块、显示模块、主变量采集模块、温度采集模块、无线收发模块和接口模块，电源模块包括依次连接的电池、DC-DC电源芯片和EVM调整电路，为装置供电；电压采集模块连接到主控模块，采集电池电压信号。 

所述EVM调整电路通过π型电路进行滤波。 

所述π型电路中，电感内阻值为1Ω～3Ω，电感值为4.7uH。 

所述电池为锂-亚硫酰氯电池。 

所述电源模块还包括在EVM调整电路后端连接陶瓷电容。 

所述电压采集模块的电路结构为：CMOS开关芯片的VOUT引脚连接至精密电阻分压电路的输入端，输入电压经分压电路后输入到射极跟随器的同相输入 端，经隔离输出到CPU的AD端口。 

所述显示模块为断码屏。 

本实用新型具有以下有益效果及优点： 

1.电源电路可最大限度利用单节电池全部能量(2～3.6VDC)，电源利用效率达96％以上，同时能够有效抑制DC-DC芯片的开关频率对射频信号的干扰(包括低频和高频)，保证系统稳定、可高、高效运行。 

2.电压采集电路使CMOS开关、分压电路与射频跟随器巧妙连接和有效控制，降低了采集电压的能量消耗，也提高了电阻分压采集的精度，电压采集精度可达到0.5％。 

3.通过设备功能的有效划分和模块化管理，再通过工作周期及工作时序的有效控制，大大降低了设备整体功耗，使得设备在单节电池供电的情况下可稳定有效运行数年。在最为恶劣的高温高寒的沙漠环境下也可稳定运行两年以上。 

附图说明

图1是本实用新型的硬件结构图； 

图2是本实用新型的电源模块结构框图； 

图3是本实用新型的电源模块电路连接图； 

图4是本实用新型的LCD工作模式图； 

图5是本实用新型的电压采集模块结构连接图； 

图6是本实用新型的电压采集模式图； 

图7是本实用新型的温度与主变量采集模式图； 

图8是本实用新型的无线模块模式状态切换图； 

图9是本实用新型的无线模块在线模式状态时序图。 

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。 

如图1所示为本实用新型的硬件示意图，主要将无线仪表的功能划分为的几个模块。其中包括：电源模块、显示模块、电压采集模块、温度采集模块、 主变量采集模块、无线收发模块、接口模块等。主控模块内部设置有温度采集模块，并连接电压采集模块、主变量采集模块、接口模块、无线收发模块以及显示模块，电源模块为上述模块供电。每个模块都有具体的供电时间安排，且工作时间受到严格的控制，基本上都在几个ms时间内完成具体工作，然后进入断电或休眠状态。 

如图2所示为本实用新型的电源模块结构框图，电源采用高容量锂-亚硫酰氯电池供电。为提高电源效率，采用DC-DC电源芯片供电(如：TPS63000、TPS63001)。但是DC-DC芯片容易引入开关频率的干扰，所以后端加上EVM调整电路，这样可以有效抑制EVM，为射频收发模块提供理想的电源电压。 

DC-DC芯片静态电流指标控制在50uA以内，EVM调整电路使用π型电路，由L2、C5、C6构成，进行滤波，后端根据系统在低温时候的电源干扰频率(700Hz)，增加100uF的陶瓷电容，抑制的低频干扰。π型电路中的电感选择内阻2Ω左右的器件(如：4.7uH，LBC2012T4R7M，太诱公司生产)，有效降低电感自身的电源消耗。 

如图3所示为本实用新型的电源模块电路连接图。电源输入端采用磁珠，进行过流保护，3.6V稳压管实现过压保护，100uF钽电容稳压，防止后端负载电路瞬间的波动影响电源系统稳定。TPS63001电源调整电路，具有升降压双重功能，能够在2.0～3.6V输入变动的情况下，稳定输出3.3V，可使电池的电能得到完全利用。L2与C5、C6组成的π型电路能够滤除1MHz～10MHz的开关电源杂波。FB2和FB3两个磁珠的平行结构可有效消除电源和地线的同频率的干扰信号。100uF陶瓷电容能够滤除1MHz以下的低频杂波干扰。 

显示模块：为降低功耗，LCD采用断码方式显示，与点阵显示相比较，可大大降低功耗，工作状态的电流消耗只有10uA大小。显示过程采用间隔显示方式，间隔时间为8s。如图4所示为LCD工作模式图。 

电池电压采集模块：图6为电池电压采集模式图，电池电压每30分钟采集一次，可及时提醒用户更换电池。电池电压从电路供电到采集完成，在5毫秒 内完成。 

如图5所示为电压采集模块结构连接图，CMOS开关芯片的VOUT引脚连接至精密电阻分压电路的输入端，输入电压经分压电路后输入到射极跟随器的同相输入端，经隔离输出到CPU的AD端口。电压采集电路在不工作时候，均不带电。分压电阻R1、R2的电流及电压受U1控制，U1为CMOS开关器件，功耗只有2uA左右。U2的电源由VCC_CTL提供，U2工作电流最大只有几个mA，所以可以直接由CPU的I/O驱动。电池工作电压在2.0～3.6VDC之间，所以，射极跟随器的输入电压经过300k、100k分压后为0.5～0.9VDC之间，单片机AD输入同样为0.5～0.9VDC。 

电池满电量时电压为3.6V。设定显示模式为：≥3.3V电池电量显示满格(四格)；3.2～3.3V显示三格；3.1～3.2V显示两格；3.0～3.1V显示一格；＜3.0V显示空格。 

温度与主变量采集模式：如图7所示为温度与主变量采集模式图，温度与主变量采集基本上是同时的，首先采集当前温度值，然后采集主变量，并进行温度补偿。其采集间隔在1s～24h之间可以任意设置。随着采集间隔的扩大，仪表整体功耗随之降低。温度及主变量的采集时间均可在3ms内结束。 

无线收发模块工作模式：如图8所示为无线模块模式状态切换图无线收发模块主要工作在两种模式，包括离线模式、在线模式；三种状态，包括侦听(接收)状态、休眠状态和发送状态。 

无线模块每4s侦听一次网络路由或中心网关状态，确认自己是在线或离线。如果连续3次未侦听到网络，说明路由或网关未开通，进入离线状态，休眠30分钟；如果每次都能够侦听到网络，说明数据链路信号正常，为在线状态。在发送数据间隔定时到来时刻，即可启动发送数据，然后接收确认信息，再转入4s休眠状态，休眠状态的电流消耗为55uA。如图9所示为本实用新型的无线模块在线模式状态时序图，无线模块的发送周期可进行设置，区间为5s～24h可选，周期越长，消耗的电流越小。 

在本实用新型所述方法下设计的仪表在单节ER34615电池供电下，其常温工作平均电流控制在230uA左右。在最恶劣的条件下，一节3.6V的ER34615电池可工作两年以上。将仪表的功耗在3.6V电池供电的情况下，平均功耗降至两百多uA。 

Claims (7)

1.一种低功耗无线仪表实现装置，包括主控模块、显示模块、主变量采集模块、温度采集模块、无线收发模块和接口模块，其特征在于：电源模块包括依次连接的电池、DC-DC电源芯片和EVM调整电路，为装置供电；电压采集模块连接到主控模块，采集电池电压信号。

2.根据权利要求1所述的低功耗无线仪表实现装置，其特征在于：所述EVM调整电路通过π型电路进行滤波。

3.根据权利要求2所述的低功耗无线仪表实现装置，其特征在于：所述π型电路中，电感内阻值为1Ω～3Ω，电感值为4.7uH。

4.根据权利要求1所述的低功耗无线仪表实现装置，其特征在于：所述电池为锂-亚硫酰氯电池。

5.根据权利要求1所述的低功耗无线仪表实现装置，其特征在于：所述电源模块还包括在EVM调整电路后端连接陶瓷电容。

6.根据权利要求1所述的低功耗无线仪表实现装置，其特征在于：所述电压采集模块的电路结构为：CMOS开关芯片的VOUT引脚连接至精密电阻分压电路的输入端，输入电压经分压电路后输入到射极跟随器的同相输入端，经隔离输出到CPU的AD端口。

7.根据权利要求1所述的低功耗无线仪表实现装置，其特征在于：所述显示模块为断码屏。