CN108779990B - 公共事业仪表 - Google Patents

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Abstract

描述了一种公共事业仪表(1)，其包括：计量部(2)、通信接口(3)、以及提供所述计量部(2)与所述通信接口(3)之间的电流隔离的通信路径(4)。这种公共事业仪表应该以低功率消耗来操作。为此目的，所述通信路径(4)包括具有初级侧和次级侧(S)的变压器(5)，该初级侧具有连接到所述计量部(2)的第一初级端子和第二初级端子，并且该次级侧连接到所述通信接口。

Description

公共事业仪表
技术领域
本发明涉及一种公共事业仪表，这种公共事业仪表包括：计量部、通信接口、以及提供所述计量部与所述通信接口之间的电流隔离的通信路径。
背景技术
向消费者输送像水、燃气、电、或区域供热这样的公共事业的公共事业公司使用公共事业仪表来确定公共事业的输送量。
由计量部获得的数据必须被传送至公共事业仪表的外部，例如传送至可以用来将该数据发送至公共事业公司的发送设备。这种发送设备可以例如连接到通信接口，或者通信接口可以直接将数据发送至公共事业公司。在许多情况下，需要进行电流隔离。
这种电隔离的外部通信在可以与外部设备多频繁地进行通信往来方面通常是非常受限的。这是由于这样的通信消耗相对高的功率量，如果公共事业仪表使用电池作为能量源，则这是一个缺点。这种功率消耗将大大缩短可用的电池寿命。
通信路径通常使用光电耦合器来实施，其中，使用脉动DC(直流电流)静态地或者使用通过耦合电容器驱动的双LED动态地驱动发射器LED，其中，仅边缘周围的短脉冲通过光电耦合器传输。由于这种通信路径通常以相对低的300-9600比特/秒的比特率运行，因此相关联的微控制器需要在其消耗功率的相对长的时间内通电。在静态驱动的LED的情况下，LED消耗相对高的功率量，这是由于LED打开相对长的时间——尤其是在低比特率下。在动态驱动的LED的情况下则不是这种情况，但每比特需要传输的电荷量是相对较高的。在这两种情况下，需要将光电耦合器的老化考虑在内——这进一步增加了功率消耗。
发明内容
本发明的目的是以低功率消耗来操作公共事业仪表。
此目的是使用开篇所述的公共事业仪表这样解决的：所述通信路径包括具有初级侧和次级侧的变压器，该初级侧具有连接到所述计量部的第一初级端子和第二初级端子，并且该次级侧连接到所述通信接口。
使用变压器来提供电流隔离导致与光电耦合器的耦合电容相当的非常低的耦合电容。通过感应地传输数据比特，相较于当使用光电耦合器时所需的能量，可以大大地减少与各个所传输的比特相关联的能量。每比特的少量传输能量还提升了高速度。优选地，初级侧通过调制器电路连接到计量部，并且次级侧通过解调器电路连接到通信接口。
在优选实施例中，所述初级侧借助于具有对称设计的输入调制器电路被连接到所述计量部。这种对称设计提升了对共模EMC干扰的抗扰度。
优选地，所述次级侧借助于具有对称设计的输出调制器电路被连接到所述通信接口。这种对称设计提升了对共模EMC干扰(电磁兼容性干扰)的抗扰度。
在优选实施例中，提供了向所述变压器供应互补信号的装置。这种装置可以例如由连接到所述初级侧的逆变器安排来实现。通常，从计量部发送的数据采用初级输入信号的形式，该初级输入信号采用具有脉冲和暂停的脉冲序列形式。互补信号使变压器的电压摆动加倍，并且因此相应地降低了需要的驱动电流。
在优选实施例中，所述逆变器安排包括第一逆变器，该第一逆变器连接到所述初级侧的所述第一端子并且连接到第二逆变器的输入端，该第二逆变器的该输入端连接到该初级侧的所述第二端子。这是实现逆变器安排的相对简单的方式。
优选地，DC路径被相应地设置在所述初级侧的所述第一端子和所述第二端子与地之间。这种DC路径有助于防止电荷在初级侧的端子处建立电容。这两个DC路径可以具有对于地的对称设计。
优选地，所述次级侧连接到触发器安排。触发器安排是恢复原始脉冲序列信号的简单方式。
优选地，所述触发器安排包括施密特触发器式触发器。由于施密特触发器式触发器的滞后，因此使用脉冲的较宽部分，并且因此可以利用具有较少传输能量的较窄脉冲。
在优选实施例中，所述次级侧包括第一次级端子和第二次级端子，所述第一次级端子和所述第二次级端子经由电容器安排被连接到次级接地电势。电容器安排，例如次级侧的各个端子处的电容器，将这些端子绑到次级接地电势上以改进EMC性能。
替代地或另外地，所述次级侧包括连接到次级电源电压电势的次级中点。这同样改进了EMC性能。
在优选实施例中，所述计量部是由电池供电的。由于仅使用低能量将信息从计量部传送到外部，因此电池足以用于能量供应。
在优选实施例中，所述变压器被实施为基板的不同层上的铜轨道线圈。该基板可以是例如印刷电路板。以这种方式，变压器被实施为PCB轨道变压器以允许对PCB铜层的高效利用。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述本发明的多个优选实施例，在附图中：
图1示出了公共事业仪表的示意图，
图2示出了公共事业仪表的更详细图示，
图3示出了通信路径的第一实施例，
图4示出了在图3中示出的电路的各点处的信号波形，
图5示出了通信路径的第二实施例，
图6示出了通信路径的第三实施例，并且
图7示出了通信路径的第四实施例。
具体实施方式
图1示意性地示出了公共事业仪表1，该公共事业仪表包括计量部2以及在计量部2与通信接口3之间的通信路径4。通信路径4提供了计量部2与通信接口3之间的电流隔离。
计量部2是由电池供电的，使得计量部2的能量消耗应该保持较低。低能量消耗的需求对于从计量部2到通信接口3的数据传送也是有效的。通信接口3其自身可以设置有其自己的电池或经由例如总线(例如，M总线)的电源。
通信路径4包括变压器5、调制器6和解调器7。
图2更详细地示出了通信路径4。输出可以从地加上计量部2或热量表的TX得出。通信模块4使用其自己的电池或经由例如M总线的电源来操作。通信路径4包括各自具有调制器6、变压器5和解调器7的两个通信路线，然而，这两个通信路线以相反的方向安排，使得可以既向计量部2传送数据又从计量部接收数据。
图3示出了通信路径4的第一实施例。
在图3中，变压器5是具有初级侧P和次级侧S的变压器。变压器5具有在初级侧P上的第一初级端子8和第二初级端子9。此外，变压器5包括在次级侧S上的第一次级端子10和第二次级端子11。连接到变压器5的初级侧P的调制器6包括逆变器安排G1、G2。逆变器G2连接到输入端，例如连接到计量部2。在逆变器G2的输出驱动为“三态”的情况下，电阻R8被用于上拉逆变器G2的输入。逆变器G2的输出端连接到变压器5的初级侧P的第二初级端子，并且进一步连接到另一个逆变器G1的输入端，该后一个逆变器的输出端连接到变压器5的第一初级端子8。
在相应逆变器G1、G2的输出端与初级端子8、9之间的每个连接中，示出了电容C1、C2和电阻R1、R2。电容C1、C2和变压器5的初级电感确定每比特能量传输量，并且电阻R1、R2提供由电容C1、C2和初级电感组成的谐振电路的必需阻尼。R1、R2、C1、C2与初级电感之间的关系因此确定通过变压器5传输的脉冲的脉冲宽度和振幅。
如图3中所示的互补输入驱动器与逆变器G1、G2的实施只是实施这些驱动器的许多可能方式之一。另一种可能性可以例如是使用以各种其他方式实施的双输入异或门。
初级端子8、9连接到初级接地电势GND_P，以防止在电容C1、C2上充电。初级端子8、9与初级接地电势GND_P之间的连接可以由两个相等的电阻器R3、R4制成，以实现对称设计。
如以上所提及的，输入信号被设置到逆变器G1、G2，这两个逆变器为变压器5提供互补驱动信号以使变压器5的驱动电压加倍。
电容C1、C2和电阻R1至R4形成变压器5的初级侧的输入电路。可以看出，此输入电路是完全对称设计的。这种对称设计提升了对共模EMC(电磁兼容性)干扰的抗扰度。
次级侧S上的第一次级端子10连接到第一触发器门G3。变压器的次级侧S的第二次级端子11连接到第二触发器门G4。端子10经由彼此并联连接的第一二极管D1和电阻R5被连接到次级电源电压VCC_S。另一个端子11经由彼此并联连接的第二二极管D2和电阻R6被连接到次级电源电压VCC_S。此外，第一端子10经由电容器C3被连接到次级接地电势GND_S，并且第二端子11经由另一个电容器C4被连接到次级接地电势GNG_S。
第二触发器门G4的输出端连接到第一触发器门G3的第二输入端。第一触发器门G3的输出端经由电容C5被连接到第二触发器门G4的第二输入端。此外，此第二输入端经由电阻R7被连接到次级接地电势GND_S。
在触发器G3、G4意外地以错误状态结束的情况下，电阻R7和电容C5提供接通电源复位和复位。端子10、11与次级电源电压VCC_S之间的电阻R5、R6提供用于触发器的上拉。
二极管D1、D2用于将任一变压器端子10、11上的正向脉冲钳位到次级电源电压VCC_S上。在图3中示出的实施例中，这致使相反的端子生成负向边缘以触发触发器G3、G4周围建立的SR触发器。RS触发器从相应输入上的负向SET/RESET脉冲中恢复原始信号。有利的是使用施密特触发器式触发器。由于施密特触发器式触发器的滞后，因此可以使用脉冲的较宽部分，并且因此可以利用具有较少传输能量的较窄脉冲。
图4示出了在图2中示出的电路的各点处的信号波形。
图4a示出了输入端处的波形。此波形是脉冲序列12，每个脉冲具有上升沿13和下降沿14。
图4b示出了在变压器5的第一初级端子8处的信号波形。可以看出，图4a的信号的上升沿13产生了正峰值，并且下降沿14产生了负峰值。
图4c示出了在第一次级端子10与第一触发器门G3之间的线路nSET上的信号的波形，并且图4d示出了在第二次级端子11与第二触发器门G4之间的线路nRESET上的波形。图4e示出了输出nQ。
可以容易地看出，图4a和图4e中的波形是完全相同的。
在图3中示出的实施例中，电容C3、C4、二极管D1、D2和电阻R5、R6形成完全对称设计的输出调制器电路。这也提升了对共模EMC干扰的抗扰度。
图5示出了图1的通信路径4的第二实施例。
在这种情况下，变压器5是具有双次级绕组的变压器。初级侧P与图3中示出的实施例的初级侧完全相同。
然而，次级侧S具有连接到次级电源电压VCC_S的次级中点15。
次级端子10、11以与图3中的相同方式被连接到施密特触发器式触发器G3、G4(或其他触发器)。
图6示出了与图5的电路类似的电路。然而，变压器5的次级侧被分成单独的绕组。这些绕组的分开的中点端子16、17连接到触发器Q和nQ输出端。这些有源上拉/下拉连接具有避免高于Vdd的电压的优点。
如果变压器在PCB轨道变压器、即基板(如PCB)的不同层上的铜轨道线圈上实施，则其进一步允许对PCB铜层的高效利用。
图7示出了通信路径的第四实施例。
变压器5的初级侧与图3、图5和图6的实施例中的相同。
变压器5的次级侧具有双次级绕组，该双次级绕组具有连接到次级电源电压VCC_S的次级中点15。
第一次级端子10经由二极管D1被连接到第一触发器门G3的一个输入端nSET，该二极管以阻止电流从第一次级端子10到触发器门G3的相反方向来安排。
第二次级端子11经由二极管D2被连接到另一个触发器门G4的输入端nRESET，该二极管也以阻止电流从第二次级端子11到触发器门G4的相反方向来安排。输入端nSET、nRESET二者经由相等的电阻器R5、R6被连接到次级电源电压VCC_S。
变压器5可以结合额外模块来实施，该额外模块可以附接或连接到热量表或公共事业仪表。通过公共事业仪表上所附接的通信模块，可以借助于变压器来使用从公共事业仪表到该通信模块的非常快速的数据传输。在这种情况下，仅在非常短的时间内使用热量表功率，并且随后数据被传输到通信模块，并且此通信模块具有其自己的电源或是由所附接的总线连接供电。
由此，可以非常快速地从电池驱动装置传输数据(以限制功率消耗)，并且随后所传输的数据被以更慢的传输速度从模块(该模块使用其自己的电源来操作或是由外部供电)传输到计量部2的“外部”。
这些实施例中的每一个几乎独立于通信速度地示出了每比特的低能量消耗。在两个实施例中，支持宽范围的通信速度：取决于实施方式，从几乎0比特/秒到几兆比特/秒。如可以是光电耦合器的情况，随着时间推移不会发生性能退化。存在以低价格实现非常高的共模阻抗和非常低的电容耦合的可能性。

Claims (11)

1.一种公共事业仪表(1)，其包括：计量部(2)、通信接口(3)、以及提供所述计量部(2)与所述通信接口(3)之间的电流隔离的通信路径(4)，其中，所述通信路径(4)包括具有初级侧(P)和次级侧(S)的变压器(5)，该初级侧具有连接到所述计量部(2)的第一初级端子(8)和第二初级端子(9)，并且该次级侧连接到所述通信接口(3)，其特征在于，提供了向所述变压器(5)供应互补信号的装置，该装置具有与所述初级侧(P)连接的逆变器安排的形式。
2.根据权利要求1所述的公共事业仪表，其特征在于，所述初级侧(P)借助于具有对称设计的输入调制器电路(C1，C2，R1，R2，R3，R4)被连接到所述计量部(2)。
3.根据权利要求1所述的公共事业仪表，其特征在于，所述次级侧(S)借助于具有对称设计的输出调制器电路(D1，D2，R5，R6)被连接到所述通信接口(3)。
4.根据权利要求1所述的公共事业仪表，其特征在于，所述逆变器安排(G1、G2)包括第一逆变器(G2)，该第一逆变器连接到所述初级侧(P)的所述第二初级端子(9)并且连接到第二逆变器(G1)的输入端，该第二逆变器的该输入端连接到所述初级侧(P)的所述第一初级端子(8)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的公共事业仪表，其特征在于，DC路径(R3，R4)被相应地设置在所述初级侧(P)的所述第一初级端子(8)和所述第二初级端子(9)与地之间。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的公共事业仪表，其特征在于，所述次级侧(S)连接到触发器安排(G3，G4)。
7.根据权利要求6所述的公共事业仪表，其特征在于，所述触发器安排(G3，G4)包括施密特触发器式触发器。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的公共事业仪表，其特征在于，所述次级侧(S)包括第一次级端子(10)和第二次级端子(11)，所述第一次级端子(10)和所述第二次级端子(11)经由电容器安排(C3，C4)被连接到次级接地电势(GND_S)。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的公共事业仪表，其特征在于，所述次级侧(S)包括连接到次级电源电压电势(VCC_S)的次级中点(13)。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的公共事业仪表，其特征在于，所述计量部(2)是由电池供电的。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的公共事业仪表，其特征在于，所述变压器(5)被实施为基板的不同层上的铜轨道线圈。
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