CN107218979A - 低功耗电磁水表转换器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种低功耗电磁水表转换器，其包含微控制模块发出第一脉波信号与第二脉波信号。励磁驱动模组接收脉波信号，并回传反馈信号于微控制模块。励磁驱动模块发出励磁讯号。传感模块接受励磁讯号，而发出第一信号与第二信号。信号处理模块包含信号放大单元与模数转换单元，信号放大单元电性连接模数转换单元。信号放大单元接收第一信号与第二信号，并将第一信号与第二信号传递至模数转换单元。模数转换单元接收第一信号与第二信号，并转换成转换信号。转换讯号传递至微控制模块。其中空管检测电路单元电性连接传感模块与信号处理模块间，并且检测第一信号与第二信号，且空管检测电路单元接收微控制模块的第二脉波讯号。
Description
技术领域
本申请涉及一种水表转换器，尤其指一种低功耗电磁水表转换器。
背景技术
随着电子技术和计算技术的快速发展，电磁流量计的应用越来越广泛；电磁流量计因其口径范围大、量程比大、精度高、无压损等优点，是得其在工业领域得到广泛的应用；目前的电磁流量计的供电方式有工频220V交流供电和3.6V电池供电两种，在220V交流供电不易获得和布线难度大时，需采用电池供电，电池供电电磁流量计需要特别注意低功耗的设计，在保证使用使用寿命的同时，不降低计量精度，使得电池供电电磁水表转换器的设计难度大大增加；为要降低转换器的功耗，必须着重降低信号处理部分和励磁部分的功耗。
目前的电磁水表转换器的信号处理部分主要是以模拟信号处理为主，主要包括前置放大电路、后级放大电路、模拟带通滤波器、采样保持电路、模数转换等；电路结构复杂，组件过多；同时过高的放大倍数，也增加了电路的噪声，尤其在干扰信号较大时，使得运算放大器易饱和。在励磁电路中，目前的转换器存在功耗普遍较大，集成芯片较多，成本较高等缺点；在转换器休眠时，目前的转换器没有将与计量无关的电路关闭，以节省电量。
请参阅图1，为传统模拟同步解调方法的电路示意图，其两个信号电极上产生微弱的感应电压需要经过前置放大电路、后级放大电路、模拟带通滤波器、采样保持电路、低速AD转换器、低主频MCU，其信号放大倍数为几百倍，电路复杂度、电路噪声与电路成本也较大。
发明内容
有鉴于此，本申请提出了一种低功耗电磁水表转换器，其用以解决目前电池供电的电磁水表转换器存在的重大问题，转换器存在功耗普遍较大，集成芯片较多，成本较高等缺点，且电能消耗也较高。
为了解决上述问题，本申请提供一种低功耗电磁水表转换器，其特征在于，其包括：微控制模块，其发出第一脉波信号与第二脉波信号；励磁驱动模块，其电性连接于所述微控制模块，所述励磁驱动模组接收所述脉波信号，并回传反馈信号于所述微控制模块，所述励磁驱动模块发出励磁讯号；传感模块，其电性连接于所述励磁驱动模块，所述传感模块接受励磁讯号，而发出第一信号与第二信号；以及信号处理模块，其电性连接于所述传感模块，所述信号处理模块包含信号放大单元与模数转换单元，所述信号放大单元电性连接所述模数转换单元，所述信号放大单元接收所述第一信号与所述第二信号，并将所述第一信号与所述第二信号传递至所述模数转换单元，所述模数转换单元接收所述第一信号与所述第二信号，并转换成转换信号，所述转换讯号传递至所述微控制模块；其中，空管检测电路单元电性连接所述传感模块与所述信号处理模块间，并且检测所述第一信号与所述第二信号，且所述空管检测电路单元接收所述微控制模块的第二脉波讯号。
根据本申请的一实施方式，上述的更包含唤醒触发电路单元、液晶显示单元与红外通信单元，所述唤醒触发电路单元、所述液晶显示单元与所述红外通信单元各分别电性连接于所述微控制模块，而所述唤醒触发电路单元驱动所述液晶显示单元与所述红外通信单元。
根据本申请的一实施方式，上述的所述红外通信单元具有发射电路和接收电路，以对于所述微控制模块内的参数设定。
根据本申请的一实施方式，上述的所述红外通信单元采用波长为930nm-950nm，载波频率为33KHZ-43KHZ的近红外光。
根据本申请的一实施方式，上述的所述液晶显示单元显示当前流速、正向累计流量、反向累计流量与总累计流量。
根据本申请的一实施方式，上述的更包含通信单元，所述通信单元电性连接于所述微控制模块。
根据本申请的一实施方式，上述的所述通信单元为RS485。
根据本申请的一实施方式，上述的所述励磁驱动模块的励磁讯号为低频脉冲矩形波励磁。
根据本申请的一实施方式，上述的所述励磁驱动模块的励磁讯号为1/8工频或1/4工频。
根据本申请的一实施方式，上述的量程比为1500：1。
通过此种低功耗电磁水表转换器包含的微控制模块、励磁驱动模块、传感模块、信号处理模块等等结构，而对于励磁驱动与信号处理等方式，极大的降低了电磁水表转换器的功耗。本申请采用数字过采样技术和数字励磁技术，其可带来高精度、超低功耗、高可靠性、成本低、电路简化等优点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施方式及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为习知技术的模拟同步解调方法的电路示意图；
图2为本申请的低功耗电磁水表转换器的数字过采样架构示意图；
图3为本申请的低功耗电磁水表转换器的励磁电路示意图；
图4为本申请的低功耗电磁水表转换器的红外通信电路示意图；
图5为本申请的低功耗电磁水表转换器标定模式的流量信号同步解调示
意图；
图6为本申请的低功耗电磁水表转换器正常工作模式的流量信号同步解
调示意图；以及
图7为本申请的低功耗电磁水表转换器工作流程图。
具体实施方式
以下将以图式揭露本申请的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本申请。也就是说，在本申请的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示的。
请参阅图2，其为本申请的低功耗电磁水表转换器的数字过采样架构示意图。如图所示，本实施方式提供一种低功耗电磁水表转换器1，其用以解决目前电池供电的电磁水表转换器存在的电路结构复杂、成本较高、功耗较大导致电量消耗较快等等缺点。于本实施方式中，低功耗电磁水表转换器1包含微控制模块11、励磁驱动模块13、传感模块15、信号处理模块17与空管检测电路单元19。
于本实施方式中，微控制模块11为高主频低功耗的STM32L476VET6芯片，微控制模块11需要实现数字滤波计算，数据处理量较大，因而使用的低功耗微控制模块11为高主频低功耗微控制模块。微控制模块11分别电性连接于励磁驱动模块13与空管检测电路单元19。微控制模块11产生两路互补脉冲宽度调制(即PWM)的励磁驱动信号(以下称作第一脉波信号与第二脉波信号)，第一脉波信号传输至励磁驱动模块13，第二脉波信号传输至空管检测电路单元19。励磁驱动模块13电性连接于传动模块15，而励磁驱动信号(即第一脉波信号)通过励磁驱动模块13以驱动传感模块15的励磁线圈。水在传感模块15中的管道切割磁场，两个信号电极上产生微弱的感应电压(即第一信号E1与第二信号E2)，并传递至信号处理模块17。其中低功耗电磁水表转换器1的励磁方式为低频脉冲矩形波励磁，且励磁讯号为1/8工频或1/4工频。
再者，信号处理模块17具有信号放大单元171与模数转换单元173。第一信号E1与第二信号E2通过信号放大单元171(如差分放大器AD8220)放大10倍后，再直接经过模数转换单元173(如高速AD转换器AD7172-2)进入微控制模块11。于本实施方式中，信号放大单元171为一级仪表放大电路，模数转换单元173为高速24位模数转换器，微控制模块11则采用ST的低功耗高性能处理器STM32L476VET6，其内部具有FPU单元，可以用于快速实现数字信号调制滤波。一级仪表放大电路采用具有轨到轨输出的JFET输入仪表放大器AD8220芯片，其具有较高的共模抑制比、低输入噪声、低偏置和失调电流，使得流量原始信号能够被真实的捕获，通过AD8220芯片将流量原始信号放大十倍后，直接进入24位、采样输出率为31.25kSPS高速模数转换器AD7172-2，然后通过高速SPI通信，将数据采集到低功耗高性能处理器STM32L476VET6内部。
又，信号处理模块17仅将流量原始信号放大十倍，与传统方法(放大几百倍)相比，信号更具有真实性，噪声也更低，31.25kSPS的采样率在一个励磁周期内可以提供多达数千个模数转换采样点，然后采用有限脉冲响应(FIR)数字滤波器对数据进行滤波，可以实现3毫米/秒的流速分辨率。另外，于本实施方式更包含存储电路，储存电路是64K字节容量的EEPROM存储器，存储低功耗电磁水表转换器的参数信息，还可以存储当前数据和近12个月的历史数据，所有数据在掉电时不丢失，在低功耗电磁水表转换器上电时恢复所有数据。其中低功耗电磁水表转换器的量程比可高达1500：1。
请参阅图3，其为本申请的低功耗电磁水表转换器的励磁电路示意图。如图所示，于本实施方式中，本申请的励磁驱动模块13采用单芯片，即可产生恒流源，使用一个5到15欧姆间的精密电阻可设置励磁电流的大小。本申请的励磁驱动电路相较于传统的恒流源电路简化。本实施方式采用电机驱动芯片A3906SESTR-T内部的脉冲宽度调制(即PWM)电流限制控制产生恒流电流源，同时可以利用芯片通过信号，以判断是否励磁电极是否断路。如果检测到励磁线圈断路，则停止检测，如此能够简化励磁驱动模块13。其中励磁驱动模块产生20mA的励磁电流，极大的降低励磁电流的流量。
再者，空管检测电路单元19电性连接于传感模块15与信号处理模块17间的电路，并且空管检测电路19对两信号电极施加一个低压交流低频信号，同时通过采集检测传感模块15发出的第一信号E1与第二信号E2。当低功耗电磁水表转换器1处于未检测状态时，空管检测电路单元19才可以执行，如此避免干扰低功耗电磁水表转换器1于正常运作的流量信号。微控制模块11产生两路互补PWM空管检测驱动信号，同时信号处理模块17采集传感模块15的两信号电极上的感应电压E1与E2，以计算出两信号电极间的电阻，以便于判断是否空管。当检测到空管时，低功耗电磁水表转换器1将不会进行检测，于传感模块15的两信号电极上的空管检测电压为正、负电压，以避免出现电极极化的现象。
于本实施方式中，唤醒触发电路单元21、红外通信单元23与液晶显示单元25各分别电性连接于微控制模块11，而唤醒触发电路单元21驱动红外通信单元23与液晶显示单元25。其中唤醒触发电路单元21用于红外通信单元23和液晶显示单元25的唤醒启用。若低功耗电磁水表转换器1无人进行操作时，红外通信单元23和液晶显示单元25处于关闭状态，而低功耗电磁水表转换器1的计量和存储功能一直处于运作状态。若对低功耗电磁水表转换器1进行人工操作时，需要人工使用磁铁激活唤醒触发电路单元21，触发后红外通信单元23和液晶显示单元25处于开启状态。低功耗电磁水表转换器1处于正常工作模式时，红外通信单元23和液晶显示单元25开五到十五分钟后低功耗电磁水表转换器1进入关闭状态，低功耗电磁水表转换器1处于标定模式时，红外通信单元23和液晶显示单元25将持续运作。又，液晶显示单元25具有128*64分辨率，可以显示当前流速、正向累计流量、反向累计流量、总累计流量等信息。
再者，低功耗电磁水表转换器1具有正常工作模式和标定模式，可以通过红外遥控器将其设置在不同工作模式，在标定模式时，低功耗电磁水表转换器1将一直励磁，液晶显示单元、红外通信单元和RS485通讯单元将一直处于打开状态，标定完毕后可以将其设置为正常工作模式，以便节省电量；正常工作模式时，处于间歇性励磁。
承上所述，于本申请的电源一部分采用5节功率型锂亚电池ER34615并联组成，并直接产生3.6V的电压微控制模块11、红外通信单元23、励磁驱动模块13供电。电源另一部分采用一个XC6206P302PR低功耗电源芯片产生3.0V电压，同时使用ME7660C电荷泵芯片产生-3.0V电压，+3.0V电压供电给信号处理模块17。其中电源部分仅采用两个电源芯片就可以满足整板的供电要求，极大的降低了整板的静态功耗。
请参阅图4，为本申请的低功耗电磁水表转换器的红外通信电路示意图。如图所示，红外通信单元23是采用波长为930nm-950nm，载波频率为33KHZ-43KHZ的近红外光。本实施方式是采用波长为940nm，载波频率为38KHZ的近红外光，红外通信单元23具有发射电路和接收电路两部分组成，可以和红外遥控器或红外掌机进行信息交互，便于对低功耗电磁水表转换器1进行参数设置等操作。发射电路采用了L51R4-45-C-L6的光电发射管，由微控制模块11的一个定时器产生38KHZ的载波频率。接收电路采用了集成式一体化接收管W0038F-30-D1，直接输入到微控制模块11的串口输入引脚。
请复参阅图2，于本实施方式中更包含低功耗RS485通信单元27，其方便进行现场设备通信或GPRS模块通信，且能够将流量信号传送至上位机管理软件，其中低功耗RS485通信电路采用MAX3471EUA超低功耗RS485集成芯片，其在接受模式下仅消耗1.6uA电流，极大降低了通信功耗。另外，低功耗电磁水表转换器1采用MODBUS RTU通信标准协议，兼容性好。
请参阅图5，其为本申请的低功耗电磁水表转换器标定模式的流量信号同步解调示意图。如图所示，低功耗电磁水表转换器1处于标定模式时，所有的功能将会一直处于打开状态，并且一直输出励磁驱动信号。在励磁驱动信号的作用下，其流过电磁水表传感模块15的线圈实现电流换向，测量管内的磁场方向和传感模块15电极信号方向也随之反转。在第n个周期时，微控制模块11根据当前的励磁方向，将正半周期的模数转换(即ADC)样本放入一组数组中，将负半周期的模数转换(即ADC)样本放入另一组数组中。随后，每一组均经过有限脉冲响应(即FIR)的数字低通滤波器，滤波器截止频率设置为30赫兹，允许有用信号通过，但会抑制电力线频率干扰和高频噪声成分。
请参阅图6，其为本申请的低功耗电磁水表转换器正常工作模式的流量信号同步解调示意图；如图所示，低功耗电磁水表转换器1处于正常工作模式时，其不再一直输出励磁驱动信号，而是通过设置的测量阶段和休眠阶段的时间进行间歇性励磁，以达到省电的目的。故，低功耗电磁水表转换器1为间歇性励磁，完整的励磁工作周期分为两个阶段。测量阶段或休眠阶段；在测量阶段，低功耗电磁水表转换器进行量，在休眠阶段，低功耗电磁水表转换器处于低功耗模式，所有电路除了微控制模块11部分均处于关闭状态，以节省电量；测量阶段和休眠阶段的时间根据实际应用要求均可设置，休眠阶段越长，测量阶段越短，电池供电时间越长。
请参阅图7，为本申请的低功耗电磁水表转换器工作流程图。如图所示，本实施方式的低功耗电磁水表转换器1的工作流程包含以下步骤，于步骤S1中，对硬件的参数初始化，然后从存储器读取参数。于步骤S3中，***进入实时时钟(即RTC)唤醒模式。于步骤S5中，检查是否为自检模式的时间，若为自检模式的时间已到，则进入步骤S7。于步骤S7中，***进入自检模式。于自检模式中，***会对各个参数进行检查，并检测是否有空管或励磁断线等故障信息，自检完毕后，则自动进入步骤S13的休眠模式。
承上所述，于步骤S5中，若自检时间尚未到，则进入步骤S9。于步骤S9中，检测是否有空管或励磁断线等故障信息。若没有空管或励磁断线等情况发生,则进入步骤S13的休眠模式。若有空管或励磁断线等情况发生，则进入步骤S11的测量模式。于测量完毕后，进入步骤S13的休眠模式。如果有故障信号，则直接进入休眠模式。***按照此工作流程循环工作。其中RTC唤醒休眠模式时，微控制模块11仅消耗1.4uA电流，可以很大程度上提升电磁水表转换器的使用寿命。
于本实施方式中，其针对于习知技术的缺点进行改良，习知转换器的组件较多导致成本高，且功耗较大。故，本发明提供一种低功耗电磁水表转换器，其包含微控制模块、励磁驱动模块、传感模块、信号处理模块与空管检测模块。本发明采用数字过采样技术和数字励磁技术，具有高精度、超低功耗、高可靠性、成本低、电路简化等优点。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施方式，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施方式的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种低功耗电磁水表转换器，其特征在于，其包括：
微控制模块，其发出第一脉波信号与第二脉波信号；
励磁驱动模块，其电性连接于所述微控制模块，所述励磁驱动模组接收所述脉波信号，并回传反馈信号于所述微控制模块，所述励磁驱动模块发出励磁讯号；
传感模块，其电性连接于所述励磁驱动模块，所述传感模块接受励磁讯号，而发出第一信号与第二信号；以及
信号处理模块，其电性连接于所述传感模块，所述信号处理模块包含信号放大单元与模数转换单元，所述信号放大单元电性连接所述模数转换单元，所述信号放大单元接收所述第一信号与所述第二信号，并将所述第一信号与所述第二信号传递至所述模数转换单元，所述模数转换单元接收所述第一信号与所述第二信号，并转换成转换信号，所述转换讯号传递至所述微控制模块；
其中，空管检测电路单元电性连接所述传感模块与所述信号处理模块间，并且检测所述第一信号与所述第二信号，且所述空管检测电路单元接收所述微控制模块的第二脉波讯号。
2.如权利要求1所述的低功耗电磁水表转换器，其特征在于，更包含唤醒触发电路单元、液晶显示单元与红外通信单元，所述唤醒触发电路单元、所述液晶显示单元与所述红外通信单元各分别电性连接于所述微控制模块，而所述唤醒触发电路单元驱动所述液晶显示单元与所述红外通信单元。
3.如权利要求2所述的低功耗电磁水表转换器，其特征在于，其中所述红外通信单元具有发射电路和接收电路，以对于所述微控制模块内的参数设定。
4.如权利要求2所述的低功耗电磁水表转换器，其特征在于，其中所述红外通信单元采用波长为930nm-950nm，载波频率为33KHZ-43KHZ的近红外光。
5.如权利要求2所述的低功耗电磁水表转换器，其特征在于，其中所述液晶显示单元显示当前流速、正向累计流量、反向累计流量与总累计流量。
6.如权利要求1所述的低功耗电磁水表转换器，其特征在于，更包含通信单元，所述通信单元电性连接于所述微控制模块。
7.如权利要求6所述的低功耗电磁水表转换器，其特征在于，其中所述通信单元为RS485。
8.如权利要求1所述的低功耗电磁水表转换器，其特征在于，其中所述励磁驱动模块的励磁讯号为低频脉冲矩形波励磁。
9.如权利要求1所述的低功耗电磁水表转换器，其特征在于，其中所述励磁驱动模块的励磁讯号为1/8工频或1/4工频。
10.如权利要求1所述的低功耗电磁水表转换器，其特征在于，其中量程比为1500：1。
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