专利名称：用于带旋转部件计量表具的微功耗智能传感方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及流量和电量计量领域中带旋转部件计量表具的电数字数据处理，尤其涉及用于带旋转部件计量表具的流量和电量传感方法和装置。
背景技术：
现有技术用于带旋转部件计量表具的传感器，是将水表、煤气表等带旋转部件表具的计量值由字轮或指针指示转换为相应的电信号，用以和微处理电路接口从而实现远距离抄表。通常采用的技术有干簧管、霍尔元件和电感性磁探测元件。干簧管传感器简单易行，成本低，在国内水表、煤气表以及IC卡电表中广泛采用，但它存在许多缺陷，如簧片易机械疲劳、电触点易接触不良或粘合不断开、因水锤或磁针在临界状态晃动而误发脉冲以及输出脉冲信号不规范，容易和干扰信号混淆，不利于采集电路正确识别。此外还有，干簧管安装角度要求较严格，装配和现场调校不方便，并且连续工作寿命短。电感性磁探测元件，如美国韦根公司的零功耗韦根传感器，是采用特殊铁芯材质的电感性元件，其特点是在磁针N、S极交替作用下，元件可以输出幅度大于1V，宽度为30μS的正、负尖脉冲信号，须经外部电路进行放大、整形等处理才能提供可使用的电脉冲信号。霍尔元件是国际标准化的通用无触点磁敏元件，传统型号因耗电5-7mA而不适合计量表具使用。新的微功耗开关型霍尔元件又存在没有锁存功能，使用时必须同时安装两只元件，并须配置外部记忆电路的缺陷。最近出现了有锁存功能的低功耗霍尔元件，由于采用简单的斩波电路，其在休眠状态功耗可以降到10μA，但工作电流达1mA，并且输出仅为简单的不规范的脉冲信号。对于电表而言，一般是在电表的铝转盘上设置黑色的不反光标记，或在铝转盘轴上设置遮光板，在其对应的位置上安装反光式，或遮光式的红外发射和接收对管。不过现有技术并没有对红外发射管的功耗予以控制，工作电流达数毫安甚至10mA以上，严重地影响着传感电路的寿命和可靠性。可见，现有传感器技术都不能很好解决针对带旋转部件计量表具的传感器的兼顾低功耗和智能化的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处，而提出一种采用电数字数据处理技术的、低功耗的适用于带旋转部件计量表具的传感方法和装置。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是，提出一种用于带旋转部件计量表具的微功耗智能传感方法，用以把计量表具上由旋转部件标示的计量数据转换为电数字信号，包括在所述计量表具内设置把旋转部件运动转换为电信号的转换部件，并且还包括步骤1)设置把来自转换部件的电信号变换为电数字信号的处理器；2)由所述处理器向所述转换部件供电，而所述处理器工作过程至少包括两个时段时段t3处理器处于一般工作状态，工作主频快，处理器为所述转换部件提供时长为t1的短暂供电，并捕获转换部件的电信号；时段t4处理器处于节能工作状态，工作主频慢，处理器对捕获到的转换部件的电信号进行处理，变换为电数字信号。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案还有，设计制造一种用于带旋转部件计量表具的微功耗智能传感装置，用以把计量表具上由旋转部件标示的计量数据转换为电数字信号，包括把旋转部件的运动转换为电信号的转换部件，还包括用于把来自转换部件的电信号变换为电数字信号的处理器；该处理器的一个输出端与转换部件的一个电源供给端连接；该处理器的一个输入端与转换部件的电信号输出端连接；该处理器上还设有用于和外部设备连接的输入/输出端口；并且当所述处理器内部设有对振荡器产生的时钟进行分频的预分频器和控制电路，处理器中运行的程序可通过它们实现至少两个不同工作时钟频率的切换选择当所述处理器处于其中一个较快的工作时钟，处理器的所述输出端受控，使得所述转换部件只在时长为t1的短暂时段内获得供电；并且处理器的所述输入端捕获转换部件的所述输出端上电信号的变化；当所述处理器处于其中一个较慢的工作时钟，处理器的所述输出端受控，使得所述转换部件处于无供电状态；并且处理器内部运行的程序对捕获到的转换部件的所述输出端上电信号的变化进行处理，变换为电数字信号。
同现有技术相比较，采用本发明用于带旋转部件计量表具的微功耗智能传感方法和装置，可把普通水、电、气表改造为与自动抄表系统接口的远传表，其结构简单、功耗低、使用方便、稳定可靠、抗干扰和数据处理能力强。
图1为本发明用于带旋转部件计量表具的微功耗智能传感方法所用传感装置的示意图。
图2为现有技术霍尔元件工作时的电流消耗示意图。
图3为本发明所用霍尔元件工作时的电流消耗示意图。
图4为本发明所述处理器处于不同工作时段的电流消耗示意图。
图5为本发明所述处理器为转换部件供电的时序示意图。
图6为本发明实施例1结构示意图。
图7为本发明实施例2结构示意图。
图8为本发明实施例4结构示意图。
图9为本发明各实施例中所用处理器内部结构示意图。
图10为本发明各实施例中所用处理器中程序流程示意图。
具体实施例方式
以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述。
本发明用于带旋转部件计量表具的微功耗智能传感方法，用以把计量表具上由旋转部件标示的计量数据转换为电数字信号，包括在所述计量表具内设置把旋转部件运动转换为电信号的转换部件21，还包括步骤1)设置把来自转换部件21的电信号变换为电数字信号的处理器22；2)由所述处理器22向所述转换部件21供电，而所述处理器22工作过程至少包括两个时段时段t3处理器22处于一般工作状态，工作主频快，处理器22为所述转换部件21提供时长为t1的短暂供电，并捕获转换部件21的电信号；时段t4处理器22处于节能工作状态，工作主频慢，处理器22对捕获到的转换部件21电信号进行处理，变换为电数字信号。
如图1所示的用于带旋转部件计量表具的微功耗智能传感方法所用传感装置20，用以把计量表具上由旋转部件标示的计量数据转换为电数字信号，包括把旋转部件的运动转换为电信号的转换部件21，还包括用于把来自转换部件21的电信号变换为电数字信号的处理器22；该处理器22的一个输出端与转换部件21的一个电源供给端连接；该处理器22的一个输入端与转换部件21的电信号输出端连接；该处理器22上还设有用于和外部设备连接的输入/输出端口；并且当所述处理器22内部设有对振荡器22-15产生的时钟进行分频的预分频器22-11和控制电路22-16，处理器22中运行的程序可通过它们实现至少两个不同工作时钟频率的切换选择当所述处理器22处于其中一个较快的工作时钟，处理器22的所述输出端受控，使得所述转换部件21只在时长为t1的短暂时段内获得供电；并且处理器22的所述输入端捕获转换部件21的所述输出端上电信号的变化；当所述处理器22处于其中一个较慢的工作时钟，处理器22的所述输出端受控，使得所述转换部件21处于无供电状态；并且处理器22内部运行的程序对捕获到的转换部件21的所述输出端上电信号的变化进行处理，变换为电数字信号。
本发明的思路在于，根据各种带旋转部件计量表具的工作特点，及计量指针或字轮旋转的频率一般不太高，在转换部件电信号取样时只需要很短时间就可满足要求，所以转换部件工作状态，即获得电源供给的时间在一个周期内就可以大大减少。
针对采用霍尔元件的水表、气表等，如图2所示，现有技术中霍尔元件一直处于供电状态，图中阴影部分所表示的电流平均值很大，而本发明如图3所示，由于装于指针两头的N极和S极磁体在分别穿越霍尔元件感应区的时间相对比较长，而电信号取样时间只需要很短，所以霍尔元件只须周期性在很短的时间内供电，图中阴影部分所表示的电流平均值很�。浜牡缌恐恍柘钟屑际鹾牡缌康膖1/t2，由于t1远远小于t2，所以本发明相对现有技术可大大降低霍尔元件本身的电流消耗。
而针对采用光电发射、接收管的电表等，现有技术中光电发射管是处于常供电状态，耗电情况如图2所示，而本发明如图3所示，由于电表的铝转盘或字轮的转动速度不是很快，所以光电发射管只须周期性在很短的时间内供电，图中阴影部分所表示的电流平均值很�。浜牡缌恐恍柘钟屑际鹾牡缌康膖1/t2，由于t1大大小于t2，所以本发明相对现有技术可大大降低光电发射管本身的电流消耗。
本发明的思路还在于，根据处理器的工作特点采取降低处理器消耗电能的技术措施。按照理论处理器工作时钟频率愈快消耗电能就愈大，时钟频率愈慢消耗电流就愈小。由于转换部件21须周期性短时间供给电源，处理器22必须在快时钟工作状态，即时段t3方可产生其脉冲电源，宽度为t1，处理器22其它时间只需对捕获到相应的电信号进行识别、智能处理，因而处理器时钟工作在较低的频率状态即能满足要求。为了降低处理器电源消耗，又要满足短时供电的要求，所以处理器时钟交替工作在快、慢状态。如图4所示，现有技术处理器时钟一般都是保持在较高的频率进行工作，则其耗电电流一直处于图中t3时段的值，而本发明在大部分的时长t4内使其工作于较低的工作频率，只在需要供给转换部件电源的时段t3使其工作在高的工作频率，因而降低了处理器电源消耗，图中阴影部分所表示的电流平均值很�。员痉⒚飨喽韵钟屑际踉诒Ｖち俗徊考凡痘窦屏啃藕诺那疤嵯驴纱蟠蠼档痛砥鞅旧淼牡缌飨�。
结合以上两个思路，如图5所示，本发明中转换部件21只在时段t3内的t1时长内获得供电，其他时间无须供电，因而不消耗能量，而处理器22在大部分时间工作于低时钟频率，也进一步降低了整个传感器20的功耗。
本发明传感器除了实现微功耗外，由于在传感器内采用了智能处理器，使得传感器具有很强的识别、排除干扰能力和数据处理能力，而且为外部设备提供的信号方式也变得多样，除了可以提供符合标准要求的脉冲信号外，还可以提供符合各种数据格式要求的数字信号。
本发明可以应用于多种带旋转部件计量表具，比如水表、气表、电表、加油站用油量表等。以下通过几个具体的实施例，予以进一步的说明。
实施例1如图6所示，把本发明传感方法应用于现有普通水表。可以看到该水表包括指针10，该指针是对原水表上的x0.01或x0.1或x1旋转塑料指针中的一个替换为一只带有N性磁极11和带有S性磁极12的指针，传感装置20，传感装置固定片30，表外壳40，玻璃盖50和水表面板60。
所述传感装置20中，处理器22工作于高时钟频率时段t3不大于0.1mS，处于低时钟频率时段t4大于25mS，而霍尔元件21有电源供给的时间t1为10-80μS，该电源供给是由处理器22上的输出管脚提供。处理器22可以为外界设备提供脉冲输出，也可以提供计量脉冲累计数字信号输出。所述传感装置20的实测消耗电流不大于10μA。可见，本发明方法可以使传感装置消耗功率非常低。
实施例2如图7所示，把本发明传感方法应用于现有普通气表。可以看到该气表包括旋转字轮10，该字轮相对位置上嵌有N性磁极11和S性磁极12的两颗磁珠，传感装置20和传动机构70。
所述传感装置20中，处理器工作于高时钟频率时段t3不大于0.1mS，处于低时钟频率时段t4大于25mS，而霍尔元件有电源供给的时长t1为10--80μS，该电源供给是由处理器22上的输出管脚提供。处理器22可以为外界设备提供脉冲输出，也可以提供计量脉冲累计数字信号输出。
实施例3类似于实施例1，但所述传感装置20中包括两只霍尔元件21，它们在空间上相差一定角度，采用该结构，配合处理器22内处理程序，可以使传感装置20抗干扰能力提高，还可以提供旋转方向识别信号，为外接设备提供正向和反向脉冲输出，也可以提供正向和反向脉冲累计数字信号输出，还可以提供地址码、表底数、表常数设置功能，表计量值运算功能，数据异常报警功能，综合数字信息输出等。
实施例4如图8所示，把本发明传感方法应用于有字轮计度器的电表。在电表的字轮的边沿上设置为黑白相间的不反光带13及反光带14，在其对应的位置上安装两只反光式的红外发射和接收对管21，所述发射管的工作电源仍为短暂供电。处理器22把光电接收管的信号进行智能识别和处理，输出相应的电数字信号。对于普通机械式电表，可在铝转盘上涂上黑色的不反光标记，其它与上面所述类似。对于普通机械式电表，也可在铝转盘轴上安装遮光板，在其对应的位置上安装两只遮断式的红外发射和接收对管21，其它与上面所述类似。
所述传感装置20中，处理器工作于高时钟频率的时段t3不大于0.1mS，处于低时钟频率时段t4大于25mS，而两只红外发射管有电源供给的时长t1为10--80μS，该电源供给是由处理器22上的输出管脚提供。处理器22可以为外界设备提供脉冲输出，也可以提供计量脉冲累计数字信号输出。从而本发明传感装置就成为抗强磁场、电场干扰的微功耗光电智能传感装置。所述传感装置20的实测消耗电流不大于0.3mA。可见，本发明方法可以使传感装置消耗功率很低。
实施例5类似于实施例4，所述传感装置20中包括两只红外发射和接收对管21，它们在空间上相差一定角度，采用该结构，但配合处理器22内处理程序，可以使传感装置20提供旋转方向识别信号，为外接设备提供正向和反向脉冲输出，也可以提供正向和反向脉冲累计数字信号输出，还可以提供地址码、表底数、表常数设置功能，表计量值运算功能，数据异常报警功能，综合数字信息输出等。
实施例6传感装置20中的处理器22除了能够完成以上实施例中的功能外，还可以配有液晶显示和驱动功能块，也可以配有有关的通讯接口，比如RS232接口、RS485接口以连接到总线上或其它数据通道。
实施例7类似于实施例1，但传感装置20中霍尔元件21和处理器22封装为一体。
以上各实施例中，所述处理器22采用深圳市国电特瑞智能设备有限公司提供的型号为GDTR0311的微处理器，其内部结构如图9所示，包括振荡器(Oscillator)22-15、预分频器(Pre-divider)22-11、控制电路(Control circuit)22-16、两个6位预置定时器(Preset timer)22-12、256(16-N)*8位检索ROM(Index ROM)22-8、频率发生器(Frequency generator)22-7、运算器(ALU)22-9、8级堆栈(8 Levels stack)22-13、11位编程计数器(Program counter)22-17、128N*16位掩膜ROM(Mask ROM)22-18、指令译码器(Instruction decoder)22-14、数据RAM(DataRAM)22-10、段位编程逻辑阵列(Segment PLA)22-5、液晶驱动器(LCD Driver)22-4，以及A(A-Port RFC)、B(B-port EL Driver Alarm)、C(C-Port Key-in)三个端口，该微处理器内部采用4位数据总线(Data bus)22-6。其中N的取值为1～16。
如图10所示，所述处理器22在上电复位后，其内部主循环程序流程包括供给转换部件电源并捕获其电信号100、判断转换部件电信号并识别和排除干扰110、数据智能处理120、输出脉冲和/或数字信号130。
本发明主要思路包括处理器为转换部件提供短时间电源，并且处理器工作在至少两个时钟频率上，用以达到降低传感装置功耗和智能处理数字信息的目的，对本发明所公开之各最佳实施例进行没有创造性的简单替换、更改，又或是进一步的发明，都属于本发明之实施。
权利要求
1.一种用于带旋转部件计量表具的微功耗智能传感方法，用以把计量表具上由旋转部件标示的计量数据转换为电数字信号，包括在所述计量表具内设置把旋转部件运动转换为电信号的转换部件(21)，其特征在于，还包括步骤1)设置把来自转换部件(21)的电信号变换为电数字信号的处理器(22)；2)由所述处理器(22)向所述转换部件(21)供电，而所述处理器(22)工作过程至少包括两个时段时段t3处理器(22)处于一般工作状态，工作主频快，处理器(22)为所述转换部件(21)提供时长为t1的短暂供电，并捕获转换部件(21)的电信号；时段t4处理器(22)处于节能工作状态，工作主频慢，处理器(22)对捕获到的转换部件(21)电信号进行处理，变换为电数字信号。
2.如权利要求1所述的微功耗智能传感方法，其特征在于所述转换部件(21)是带锁存功能的霍尔元件，就是在所述计量表具的旋转部件上设置有N极磁体和S极磁体，并且在计量表具内设置用来感知该N极磁体和S极磁体交替运动，并把该交替运动转换为电信号的带锁存功能的霍尔元件。
3.如权利要求1所述的微功耗智能传感方法，其特征在于所述转换部件(21)是反射式或者遮光式光电发射、接收组件，就是在所述计量表具的旋转部件上设置有反光和不反光部分，或者透光和不透光部分，并且在所述计量表具内设置用于感知该反光和不反光或者该透光和不透光的交替运动状态，并把该交替运动转换为电信号的反射式或者遮光式光电发射、接收组件，并且所述光电发射和接收组件有两个，它们分开设置，配合处理器(22)使传感器有高抗干扰和旋转方向识别功能。
4.如权利要求2所述的微功耗智能传感方法，其特征在于所述计量表具为水表或气表。
5.如权利要求3所述的微功耗智能传感方法，其特征在于所述计量表具为电表.
6.如权利要求2所述的微功耗智能传感方法，其特征在于所述霍尔元件(21)有两个，它们分开设置，配合处理器(22)使传感器具有高抗干扰和旋转方向识别功能。
7.如权利要求1至6中任一项所述的微功耗智能传感方法，其特征在于所述时长t1不小于10μS、且不大于80μS，时段t3不大于0.1mS，时段t4大于25mS。
8.如权利要求1至6中任一项所述的微功耗智能传感方法，其特征在于所述电数字信号包括可供其它设备使用的脉冲信号和/或可由其它设备直接读取的计量数据信号。
9.一种用于带旋转部件计量表具的微功耗智能传感装置，用以把计量表具上由旋转部件标示的计量数据转换为电数字信号，包括把旋转部件的运动转换为电信号的转换部件(21)，其特征在于，还包括用于把来自转换部件(21)的电信号变换为电数字信号的处理器(22)；该处理器(22)的一个输出端与转换部件(21)的一个电源供给端连接；该处理器(22)的一个输入端与转换部件(21)的电信号输出端连接；该处理器(22)上还设有用于和外部设备连接的输入/输出端口；并且所述处理器(22)内部设有对振荡器(22-15)产生的时钟进行分频的预分频器(22-11)和控制电路(22-16)，处理器(22)中运行的程序可通过它们实现至少两个不同工作时钟频率的切换选择当所述处理器(22)处于其中一个较快的工作时钟，处理器(22)的所述输出端受控，使得所述转换部件(21)只在时长为t1的短暂时段内获得供电；并且处理器(22)的所述输入端捕获转换部件(21)的所述输出端上电信号的变化；当所述处理器(22)处于其中一个较慢的工作时钟，处理器(22)的所述输出端受控，使得所述转换部件(21)处于无供电状态；并且处理器(22)内部运行的程序对捕获到的转换部件(21)的所述输出端上电信号的变化进行处理，变换为电数字信号。
10.如权利要求9所述的微功耗智能传感装置，其特征在于所述转换部件(21)是带锁存功能的霍尔元件，就是在所述计量表具的旋转部件上设置有N极磁体和S极磁体，并且在计量表具内设置用来感知该N极磁体和S极磁体交替运动，并把该交替运动转换为电信号的带锁存功能的霍尔元件。
全文摘要
一种用于带旋转部件计量表具的微功耗智能传感方法和装置，用以把计量表具上由旋转部件标示的计量数据转换为电数字信号，所述方法在所述计量表具内设置转换部件和处理器；并由处理器向转换部件供电，而处理器工作过程至少包括两个时段时段t3处理器处于一般工作状态，工作主频快，并为所述转换部件提供时长为t1的短暂供电，和捕获转换部件的电信号；时段t4处理器处于节能工作状态，工作主频慢，处理器对捕获到的转换部件电信号进行处理，变换为电数字信号。采用所述方法的传感装置可把普通水、电、气表改造为与自动抄表系统接口的远传表，其结构简单、功耗低、使用方便、稳定可靠、抗干扰和数据处理能力强。
文档编号G01D5/12GK1580711SQ0314009
公开日2005年2月16日 申请日期2003年8月7日 优先权日2003年8月7日
发明者尚新民 申请人:尚新民
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
