一种电流环取电的微功率无线采集测量装置及其实现方法

摘要

本发明属于测量系统的数据采集测量领域，涉及一种电流环取电的微功率无线采集测量装置及其实现方法，利用电流环的电能作为微功率无线采集测量装置的供电电源，微功率无线采集测量装置获得电源开始工作后，将电流环的电流模拟量进行A/D转换成数字量后，再经过微控制单元MCU处理后以无线的方式发送到数据采集主站。通过电流环取电和无线传输两种方式结合，使用户可以不用额外铺设电源线和通信线就能实现远程数据采集测量。

说明书

技术领域

本发明涉及数据采集测量领域的装置及其实现方法，具体涉及一种电流环取电的微功率 无线采集测量装置及其实现方法。

背景技术

目前湿度、压力、流量等传感器大多采用4~20mA电流环的方式输出测量结果，在将 4~20mA电流环的电流模拟量转换成数字量的过程中，往往需要加装额外的A/D转换采集测 量装置，经A/D转换后以数字信号的形式输出。但是加装的A/D转换采集测量装置有两个地 方可能会涉及到布线：电源供电和数字信号输出。现场布线增加了施工难度、施工费用和施 工时间。目前已有的采集测量设备可以实现数据无线传输，但是在电源供电方面仍然需要外 接电源。这样就增加了施工成本、施工难度和施工时间，不利于采集测量设备实现数据无线 传输。

随着低功耗、具有休眠功能的微功率无线和低功耗MCU的出现，使我们利用电流环的 微功率电能作为微功率无线采集测量装置的电源实现信号采集测量和无线传输成为可能。电 流环的输出范围为4~20mA，电流环可为微功率无线采集测量装置至少4mA的供电。微功率 无线采集测量装置在休眠期间总电流可做到小于100uA，在正常工作期间包括无线收发最大 总电流一般在70mA以下。按休眠间隔4S，唤醒后工作0.2S计算，其平均工作电流为：

I=W/t=(0.1mA×3.8S+70mA×0.2S)/4S=3.595mA；

因此采用电流环供电后，可以满足采集间隔大于4秒的采集应用，4秒的采集间隔可以 满足大部分的现场数据采集。这也为我们实现免布线进行现场数据定时采集提供了可能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种电流环取电的微功率无线采集测量装置及其实现 方法，通过电流环取电来解决电源供电问题，再辅以微功率无线模块通过无线方式传输数据， 在电源供电和数字信号输出两方面实现现场免布线，降低施工难度，节省施工费用和施工时 间。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种电流环取电的微功率无线采集测量装置，其改进之处在于，所述测量装置包括：

电流环切换电路：用于控制电流环取样电路对电流环的电流进行取样；

超级电容：用于存储所述电流环为所述测量装置供电时的电荷；

电压监测电路：对所述测量装置进行电压监测；

电流环取样电路：对电流环的电流进行取样；

稳压电路：用于对为控制单元MCU的供电电压进行稳压；

微控制单元MCU：用于控制A/D转换器对电流环电流的取样和无线数据传输；

无线模块：将微控制单元MCU输出的电流环电流数据发送到数据采集主站。

其中，所述电流环切换电路分别与超级电容、电压监测电路和电流环取样电路连接；所 述稳压电路分别与超级电容、电压监测电路和微控制单元MCU连接；所述微控制单元MCU 与无线模块连接；电流环的电流作为所述电流环切换电路输入。

其中，所述电流环切换电路包括电子开关S1和S2；所述电流环取样电路包括电阻R1 和R2；

所述电子开关S1、电阻R1和电阻R2依次串联，组成S1-R1-R2支路；所述电子开关S2 和超级电容C1依次串联，组成S2-C1支路；所述S1-R1-R2支路和S2-C1支路并联；所述 S1-R1-R2支路和S2-C1支路均接地；

在电子开关S1和S2的输入端形成I+端口；在电阻R2的输入端形成I-端口；电阻R2的 电压降为Ui；Ui接入微控制单元MCU的A/D转换器，Ui电压的大小反映电流环电流的大 小。

其中，所述电子开关S1和S2采用电力电子器件MOS管组成；所述电阻R1和R2串联 组成电流环的负载电阻。

其中，所述超级电容C1的最小放电电压范围在3.6~3.9V之间；所述超级电容C1的最大 耐压为5V。

其中，所述电压监测电路采用MAX6459监测芯片进行电压监测；所述MAX6459监测 芯片包括两路窗口电压监测，每路电压监测方式均为窗口电压监测，每路均设定窗口电压， 窗口电压包括电压上限U_TH+和电压下限U_TH-；所述MAX6459监测芯片包括两路输出电压， 分别为OUTA和OUTB。

其中，所述稳压电路采用LTC1844稳压芯片对微控制单元MCU的供电电压进行稳压； 所述LTC1844稳压芯片包括IN引脚、OUT引脚、引脚、BYP引脚和GND引脚；

V_IN端接入IN引脚；在V_IN端接入滤波电容C2；

V_OUT端接入OUT引脚，在V_OUT端接入滤波电容C3；

旁路电容C4接入BYP引脚；

所述电压监测电路输出的高低电压接入引脚；

所述GND引脚接地。

其中，所述滤波电容C2、C3和C4均接地；所述滤波电容C2和C3均为1μF；所述旁路 电容C4为0.1μF。

其中，所述微控制单元包括A/D转换器和串口；所述A/D转换器用于采集电流环电流被 取样后形成的取样电压Ui并将其转换成数字量，电压Ui的大小反映了电流环电流的大小； 所述串口将转换的电流环电流值通过串口输出到无线模块。

其中，所述微控制单元包括采用带有微功率MCU芯片；所述微功率的MCU芯片包括 ST的STM32F103、STM32F105、STM32F107、STM32F205、STM32F207系列，以及NXP 的LPC12XX、LPC12XX系列。

其中，所述无线模块采用Zigbee数传模块；所述Zigbee数传模块包括SZ05Zigbee数传 模块、EM351Zigbee数传模块和EM357Zigbee数传模块。

本发明基于另一目的提供一种电流环取电的微功率无线采集测量装置的实现方法，其改 进之处于，所述方法包括下述步骤：

A、电流环的电能作为供电电源为所述测量装置供电；

B、所述电流环切换电路控制电流环的电流流向电流环取样电路或流向超级电容C2充电；

C、所述电流环取样电路将电流环取样后传输至微控制单元MCU的A/D转换器；

D、所述微控制单元MCU的A/D转换器将电流环的电流模拟量转换为数字量；

E、将所述电流环的数字量通过微控制单元MCU进行处理；

F、将处理后的电流环电流数据通过微控制单元MCU的串口传输给无线模块；

G、所述无线模块以无线的方式将电流环电流值发送到数据采集主站。

其中，所述步骤B中，电子开关S1控制电流环的电流流向电阻R1和R2进行电流取样； 所述电子开关S2控制电流流向超级电容C1充电；

当微控制单元MCU不对电流环采样时，所述电子开关S1断开；电子开关S2闭合，电 流环的电流流向超级电容充电；

当MCU对电流环采样时，微控制单元MCU控制电子开关S1闭合；电子开关S2断开， 电流环的电流流向电阻R1和R2进行电流取样。

其中，所述步骤C中，所述电流环的电流从所述I+和I-端口接入，电子开关S1以及电 阻R1和R2一起形成电流环回路，所述电流环的电流流过电阻R2后在R2上形成电压降Ui， 所述电压降Ui接入微控制单元MCU的A/D转换器进行A/D转换。

其中，所述方法再执行步骤A-G时，所述电压监测电路对所述测量装置的电压进行监测。

其中，当电压监测电路的输入电压低于窗口电压下限U_TH-时，所述OUTA输出低电平； 当输入电压高于窗口电压上限U_TH+时，所述OUTA输出高电平；当输入电压低于窗口电压下 限U_TH-时，所述OUTB输出高电平，当输入电压高于窗口电压上限U_TH+时，所述OUTB输 出低电平。

其中，当电流环取样电路采样电流环的电流后传输至微控制单元MCU时，所述稳压电 路对微控制单元MCU的供电电压进行稳压。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明提供的采集测量装置通过采取电流环取电和无线传输后，使用户在安装采集测 量装置时可以实现免布线施工，降低了施工难度、节省了施工成本和施工时间。

2、解决了采集测量装置的供电问题，可以用户可以将其应用于提供电源有困难甚至于无 法提供电源的地方长时间的工作。

3、解决了现场布线问题，使用户在电源供电和数据传输两方面都可以实现免布线，降低 了施工难度、节约了施工成本和施工时间。

4、由于不需要额外的现场布线和现场供电，可以快速的布置传感网络节点，快速的采集 收集各类以电流环输出的传感器数据，达到即插即用的目的。

附图说明

图1是本发明提供的电流环取电的微功率无线采集测量装置的结构示意图；

图2是本发明提供的电流环取样电路、超级电容和电流环切换电路示意图；

图3是本发明提供的电压监测芯片原理框图；

图4是本发明提供的稳压芯片原理框图；

图5是本发明提供的微控制单元MCU采集和数据传输示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

电流环的最小电流只有4mA，而整个采集测量装置的正常工作电流可达70mA，供电电 流与工作电流相差比较悬殊。短时间的大电流会对整个电源电压造成很大的冲击，使用超级 电容可以很好的缓冲减小这种冲击。超级电容还可以在休眠期间将富裕的电能储存起来满足 唤醒后短时间大电流的消耗。小电流供电也无法满足微控制单元MCU在刚上电复位后初始 化期间的工作电流，通过超级电容预先储能的措施使整个供电电源能够满足微控制单元MCU 在2~5秒初始化期间的电力供应。

本发明提供的电流环取电的微功率无线采集测量装置的结构如图1所示，电流环切换电 路、电流环取样电路、超级电容、电压监测电路、稳压电路、内置A/D转换器和串口的低功 耗MCU、串口转无线的微功率无线模块七大部分组成。

电流环切换电路是用MOS管等器件组成的电子开关S1、S2。如图2所示，用电子开关 S1控制电流流向电阻R1、R2进行电流取样，用电子开关S2以控制电流流向超级电容C1充 电。当微控制单元MCU不对电流环采样时，电子开关S1断开、S2闭合，电流环的电流流向 超级电容充电，在超级电容C1形成稳压电路的输入电压V_IN。当MCU需要对电流环采样时， MCU控制S1闭合、S2断开，电流环的电流流向R1、R2进行电流取样。

电流环取样电路是用电阻进行电流取样后接入MCU的A/D转换器进行A/D转换器，同 时取样电阻又作为电流环的负载电阻。如图2所示，电流环从I+和I-接入，电子开关S1和电 阻R1、R2一起形成电流环回路，电流流过R2后在R2上形成电压降Ui，Ui接入MCU的 A/D转换器进行A/D转换器。电流环的标准负载电阻是250欧姆，当电流环电流达到20mA 时，将在负载电阻两端形成5V的电压降，而MCU的工作电压一般为3.3V，其内部的A/D 转换器最大输入电压也为3.3V，因此负载电阻需要用R1和R2两个电阻串联组成电流环负载 电阻，经R1和R2分压后在R2上的电压降低到小于3.3V后接入MCU的A/D转换器。

电压监测电路使用MAX6459监测芯片进行电压监测，MAX6459监测芯片带有两路窗口 电压监测，如图3所示。U_TH-是窗口电压下限，U_TH+是窗口电压下限，当IN+低于U_TH-时， OUTA输出低电平，当IN+高于U_TH+时，OUTA输出高电平；而OUTB则刚好相反，当IN- 低于U_TH-时，OUTB输出高电平，当IN-高于U_TH+时，OUTB输出低电平。由于超级电容C1 的最大耐压是5V，因此我们用MAX6459监测芯片中的一路IN-和OUTB组成监测电路，设 定电压上限为4.5V，下限为4.1V。当超级电容的电压高于4.5V时，OUTB输出低电平控制 S2断开停止电流环向超级电容充电。当超级电容的电压低于设定的电压4.1V，OUTB输出高 电平接通S2使电流环重新向超级电容充电。其中图3中UV是一路监测电压过低时输出高电 平，OV是另一路监测电压过高时输出高电平。

稳压电路使用LTC1844稳压芯片对微控制单元MCU的供电电压进行稳压，如图4所示。 LTC1844稳压芯片包括IN引脚、OUT引脚、引脚、BYP引脚和GND引脚；V_IN端接 入IN引脚；在V_IN端接入IN引脚；在V_IN端接入滤波电容C2；V_OUT端接入OUT引脚，在 V_OUT端接入滤波电容C3；旁路电容C4接入BYP引脚；所述电压监测电路输出的高低电压 接入引脚；所述GND引脚接地。

滤波电容C2接到稳压芯片到V_IN端，V_IN输入的电压经LTC1844稳压芯片稳压后输出稳 定的3.3V电压。我们使用MAX6459电压监测芯片的另一路IN+和OUTA组成监测电路，设 定电压上限为3.9V，电压下限为3.6V。当超级电容C1的电压高于3.9V时，OUTA输出高电 平将LTC1844的引脚拉高，使LTC1844开始工作输出稳定的3.3V电压向MCU和无 线模块供电。

当超级电容的电压低于3.6V电压时，MAX6459的OUTA将输出低电平将使LTC1844 停止向MCU和无线模块供电。因此超级电容的最小放电电压范围在3.6~3.9V，那么超级电 容的容量应满足在最差情况下即电流环的电流为最小电流4mA，初始化时间为5S时的供电 需求：

C=It/U=(70mA-4mA)×5S/(3.9V-3.6V)=1.1F    （1）；

考虑到采集测量装置的总工作电流不可能在整个期间都保持在70mA的最大工作电流， 因此选用1F/5V的超级电容可以满足采集测量装置2~5秒的初始化期间供电需求。

由于超级电容的存在，电源电压在上电期间上升非常缓慢，按最差的情况计算即电流环 以最小的电流4mA向超级电容充电，电源在上电后达到3.9V电压需要花费很长的时间：

t=CU/I=1F×3.9V/4mA=975S          （2）；

微控制单元MCU可能会因为电压上升缓慢而不能被正确复位，而且MCU过早的进入工 作状态也将导致超级电容无法储存足够的电能供MCU完成初始化过程。而电压监测芯片对 超级电容电压进行监测，只有电压到达预定的电压3.9V后才给MCU供电，让MCU开始投 入工作，这样就能使超级电容在MCU进入工作状态之前储存到足够的电能，MCU能够被可 靠地复位和顺利的完成初始化。

带有A/D转换器和串口的微功率MCU芯片有很多型号，比如ST的STM32F103、 STM32F105、STM32F107、STM32F205、STM32F207系列，NXP的LPC12XX、LPC12XX 系列等等，串口转无线的微功率无线模块也有很多型号，如上海顺舟科技的SZ05Zigbee数 传模块、Ember公司的EM351、EM357Zigbee数传模块。如图5所示，MCU通过内置的A/D 转换器采集电流环的电流，经MCU处理后通过内置的串口输出到无线模块，然后再由无线 模块以无线的方式发送到数据采集主站。

本发明提供了一种电流环取电的微功率无线采集测量装置的实现方法，包括下述步骤：

A、电流环的电能作为供电电源为所述测量装置供电；

B、所述电流环切换电路控制电流环的电流流向电流环取样电路：电子开关S1控制电流 环的电流流向电阻R1和R2进行电流取样；所述电子开关S2控制电流流向超级电容C1充电； 当微控制单元MCU不对电流环采样时，所述电子开关S1断开；电子开关S2闭合，电流环 的电流流向超级电容充电，在超级电容C1形成稳压电路的输入电压V_IN；当MCU对电流环 采样时，微控制单元MCU控制电子开关S1闭合；电子开关S2断开，电流环的电流流向电 阻R1和R2进行电流取样。

C、所述电流环取样电路电流环的电流取样后传输至微控制单元MCU：电流环的电流从 I+和I-端口接入，电子开关S1以及电阻R1和R2一起形成电流环回路，所述电流环的电流 流过电阻R2后在R2上形成电压降Ui，所述电压降Ui接入微控制单元MCU的A/D转换器 进行A/D转换。

D、所述微控制单元MCU的A/D转换器将电流环的电流模拟量转换为数字量；

E、将所述电流环的数字量通过微控制单元MCU进行处理；

F、将处理后的电流环电流数据通过微控制单元MCU的串口传输给无线模块；

G、所述无线模块以无线的方式将电流环电流值发送到数据采集主站。

本发明提供的电流环取电的微功率无线采集测量装置及其实现方法，利用电流环的电能 作为微功率无线采集测量装置的供电电源，微功率无线采集测量装置获得电源开始工作后， 将电流环的电流模拟量进行A/D转换成数字量后，再MCU处理后以无线的方式发送到远程 主站。通过电流环取电和无线传输两种方式结合，使用户可以不用额外铺设电源线和通信线 就能实现远程数据采集测量。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照 上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本 发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等 同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。