基於MR的直讀字輪及其讀數方法與流程

2023-10-29 09:35:47 2

本發明涉及一種水氣煤三表用的計度器讀出技術，尤其涉及一種基於MR的直讀字輪及其讀數方法。

背景技術：

隨著水氣煤三表集中抄表的普及，計度器的讀出一直是一個難題。常見的方案中，常規的脈衝式電子計量和機械計度器之間由於幹擾等原因，會產生很大的誤差；另外一種方案，採用光電編碼的方式來對字輪進行編碼讀取，其功耗大，易受外界幹擾。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明公開了一種屬於水氣煤三表用的計度器讀出模塊的機械及電氣硬體、嵌入式軟體結合的電路實現方法，具體是指一種基於MR(磁阻)的計度器讀出模塊的電路技術，即一種基於MR的直讀字輪及其讀數方法。

本發明的技術方案如下：

一種基於MR的直讀字輪，包括旋轉字輪、MR全橋電路、轉換開關、信號調理電路和數據轉換電路；

所述旋轉字輪中裝有磁鐵，磁鐵的磁極方向為旋轉字輪的軸向；

所述MR全橋電路為MR傳感器組成的惠斯通電橋；

所述MR全橋電路固定於旋轉字輪旁側，與旋轉字輪不接觸；旋轉字輪可相對於MR全橋電路旋轉；

所述轉換開關包括四個單刀雙擲開關；每個單刀雙擲開關均包括上擲點和下擲點；所述轉換開關設置有兩個檔位，第一檔位接通時，四個單刀雙擲開關中的上擲點均接通，各個下擲點均空置；第二檔位接通時，四個單刀雙擲開關中的下擲點均接通，各個上擲點均空置；

MR全橋電路的輸出端與轉換開關相連接；當轉換開關位於第一檔位時，MR全橋電路輸出第一正弦波；當轉換開關位於第二檔位時，MR全橋電路；第一正弦波和第二正弦波相位相差90度；

四個單刀雙擲開關中，第一開關刀一端連接數據轉換電路的電源端；第二開關刀和第三開關刀連接信號調理電路的兩個輸入端；第四開關刀接地；

所述信號調理電路為低功耗運放模塊；所述信號調理電路的信號輸出埠連接數據轉換電路的信號輸入埠；所述數據轉換電路為內含ADC模塊的MCU。

其進一步的技術方案為：所述信號調理電路是型號為AD8613的低功耗運放；所述數據轉換電路是型號為MSP430的MCU。

其進一步的技術方案為：所述MR全橋電路安裝有兩個，兩個MR全橋電路的靈敏度方向互相垂直；

第一MR全橋電路的正向激勵端、負向激勵端、正向輸出端、負向輸出端依次分別接入第一開關刀的上擲點、第四開關刀的上擲點、第二開關刀的上擲點、第三開關刀的上擲點；

第二MR全橋電路的正向激勵端、負向激勵端、正向輸出端、負向輸出端依次分別接入第一開關刀的下擲點、第四開關刀的下擲點、第二開關刀的下擲點、第三開關刀的下擲點。

其進一步的技術方案為：所述MR全橋電路安裝有一個；MR全橋電路的正向激勵端、負向激勵端、正向輸出端、負向輸出端依次分別接入第一開關刀的上擲點、第四開關刀的上擲點、第二開關刀的上擲點、第三開關刀的上擲點；

同時，MR全橋電路的正向激勵端、負向激勵端、正向輸出端、負向輸出端還依次分別接入第二開關刀的下擲點、第四開關刀的下擲點、第三開關刀的下擲點、第一開關刀的下擲點。

其進一步的技術方案為：所述MR傳感器為AMR傳感器。

其進一步的技術方案為：所述MR傳感器為GMR傳感器。

其進一步的技術方案為：所述MR傳感器為TMR傳感器。

一種基於MR的直讀字輪的讀數方法，包括以下步驟：

步驟1、旋轉字輪所旋轉的角度和旋轉字輪的讀數一一對應，根據此對應關係，建立對應表格；

步驟2、旋轉字輪旋轉至待測角度φx；

待測角度φx即為旋轉字輪的旋轉角度與MR全橋電路的靈敏度角度之間的夾角；待測角度φx與MR全橋電路所輸出的信號幅值Vmr之間的關係為：

Vmr＝Gain*M*Sin(φx) (1)

式(1)中，Gain為MR全橋電路的靈敏度值，M為磁鐵場強；

步驟3、將轉換開關置於第一檔位，即四個單刀雙擲開關的上擲點均接通；得到在第一檔位時，MR全橋電路的輸出幅值為V，並根據式(1)，得到輸出幅值V所對應的角度φ1和φ2；

步驟4、將轉換開關置於第二檔位，即四個單刀雙擲開關中的下擲點均接通；得到在第二檔位時，MR全橋電路的輸出幅值為V1，並根據式(1)，得到輸出幅值V所對應的角度φ3和φ4；

步驟5、比較角度φ1、φ2、φ3和φ4；如果存在有兩個互相相等的角度，則可確定其即為旋轉字輪所旋轉的待測角度φx；

步驟6、根據所述步驟1中的對應表格，讀出待測角度φx所對應的旋轉字輪讀數。

本發明的有益技術效果是：

本發明成本低廉，而又低功耗，能夠滿足三表集中抄表的計度器讀出需求。且線路穩定，不易被幹擾，適合家庭及工業各個場合的使用。

通常MR的阻值可以設計達到幾百千歐姆，而當用3.3V的激勵去驅動此MR全橋時，其功耗才幾十微安，外加MCU信號調理等部分，總的電流消耗也在一個毫安以下。所以，本發明的功耗遠遠低於光電直讀類型的方案。

附圖說明

圖1是本發明的電路架構示意圖。

圖2是MR全橋電路的示意圖。

圖3是旋轉字輪的機械結構圖。

圖4是MR全橋電路和旋轉字輪的相對位置側視圖。

圖5是圓形磁鐵和MR全橋電路晶片的相對位置示意圖。

圖6是柱形磁鐵和MR全橋電路晶片的相對位置示意圖。

圖7是實施例1的電路示意圖。

圖8是實施例2的電路示意圖。

圖9是MR全橋電路的輸出曲線示意圖。

具體實施方式

圖1是本發明的電路架構示意圖。如圖1所示，本發明包括包括旋轉字輪1、MR全橋電路2、轉換開關3、信號調理電路4、數據轉換電路5。還包括通訊接口，用於輸出數據轉換電路的輸出信號。

旋轉字輪1中裝有磁鐵，磁鐵的磁極方向與旋轉字輪的徑向方向相同。磁鐵是嵌入到字輪中的，其磁場方向和MR橋靈敏度方向成水平面平行。圖2是旋轉字輪的機械結構圖。如圖2所示，旋轉字輪外側面設置有讀數，當其參照方向確定之後，旋轉字輪的旋轉角度與其參照方向上的讀數是一一對應的，可以事先確定一個對應表。

MR全橋電路2是MR傳感器組成的惠斯通電橋。MR(Magneto Resistance，磁阻)傳感器廣泛用於現代工業和電子產品中以感應磁場強度來測量電流、位置、方向等物理參數。圖3是MR全橋電路的示意圖。圖3中的元件R1～R4均為MR器件，其電路的連接方式與電阻組成的惠斯通電橋電路相同。

MR橋的激勵信號需要適當的穩壓和去除紋波，以保證MR橋輸出信號的穩定。所以，信號調理電路4穩壓和濾波後，輸出激勵電壓給MR橋。而MR橋的輸出信號進信號調理電路4中的放大器濾波和放大後，達到合理的電平幅值輸出到後續電路中。

在具體的實施例中，MR傳感器可以使用AMR傳感器時，當使用AMR傳感器時，可以採用市售的AMR傳感器，例如：Murata MRSS29DR，由於其為單Sensor，所以要採用4個組成全橋電路。

MR傳感器還可以使用GMR傳感器，當使用GMR傳感器時，通常可以採用市售的GMR傳感器，例如：NVE AA006。

MR傳感器還可以使用TMR傳感器時，通常可以採用市售的TMR傳感器，例如：NVE AAT001。

MR全橋電路2固定於旋轉字輪旁側，與旋轉字輪1不接觸。旋轉字輪1可相對於MR全橋電路2旋轉。在旋轉時，MR全橋電路2的方向固定不變。圖4是MR全橋電路和旋轉字輪的相對位置側視圖。如圖4所示，當旋轉字輪1旋轉時，MR全橋電路2固定，則以MR全橋電路2作為參照，旋轉字輪1與MR全橋電路2的靈敏度方向的夾角是與旋轉字輪2外側面的讀數對應的。

圖5是圓形磁鐵和MR全橋電路晶片的相對位置示意圖。圖6是柱形磁鐵和MR全橋電路晶片的相對位置示意圖。磁鐵是固定在旋轉字輪1內部的。可從圖5和圖6中看到，無論使用何種形狀的磁鐵，當旋轉字輪相對於MR全橋電路旋轉時，磁鐵的磁感線方向旋轉，MR全橋電路輸出的信號幅值隨著變化。

MR全橋電路2包括正向激勵端Ex+、負向激勵端Ex-、正向輸出端V0+、負向輸出端V0-。MR全橋電路的靈敏度方向定義為由負向激勵端Ex-指向正向激勵端Ex+的方向。

MR全橋電路2的激勵源由後端電路提供，其輸出信號通過切換開關輸入到信號調理電路4。

轉換開關3包括四個單刀雙擲開關S1～S4。每個單刀雙擲開關均包括一個開關刀和兩個擲點：上擲點和下擲點。轉換開關3設置有兩個檔位，第一檔位接通時，四個單刀雙擲開關S1～S4中的上擲點均接通，各個下擲點均空置；第二檔位接通時，四個單刀雙擲開關S1～S4中的下擲點均接通，各個上擲點均空置；

MR全橋電路2的輸出端與轉換開關3相連接。當轉換開關3位於第一檔位時，MR全橋電路2輸出第一正弦波；當轉換開關3位於第二檔位時，MR全橋電路輸出第二正弦波；第一正弦波和第二正弦波的相位相差90度。

四個單刀雙擲開關中，第一開關刀S11一端連接MCU的電源端；第二開關刀S21和第三開關刀S31連接信號調理電路4的兩個輸入端；第四開關刀S41接地。

信號調理電路4主要用於將差分信號轉換成單端信號，以便輸入至後續的數據轉換電路5。信號調理電路4可使用市售的低功耗運放模塊實現，例如可使用型號為AD8613的低功耗運放。。

數據轉換電路通常由內含ADC的MCU完成，比如可使用型號為MSP430的MCU。

具體的引腳連接方法，可以參照市售的各型號模塊所配有的技術手冊，不在詳述。

為了使得第一正弦波和第二正弦波的相位相差90度，可通過改變四個單刀雙擲開關S1～S4中八個擲點的連接方法來改變，本發明包括兩種實施方式如下：

實施例1：MR全橋電路有兩組。圖7是實施例1的電路示意圖。如圖7所示：

MR全橋電路安裝有兩個，兩個MR全橋電路的靈敏度方向互相垂直。

第一MR全橋電路的正向激勵端Ex1+、負向激勵端Ex1-、正向輸出端V01+、負向輸出端V01-依次分別接入第一開關刀的上擲點S12、第四開關刀的上擲點S42、第二開關刀的上擲點S22、第三開關刀的上擲點S32；

第二MR全橋電路的正向激勵端Ex2+、負向激勵端Ex2-、正向輸出端V02+、負向輸出端V02-依次分別接入第一開關刀的下擲點S13、第四開關刀的下擲點S43、第二開關刀的下擲點S23、第三開關刀的下擲點S33。

在實施例1中，由於兩組MR全橋電路本身的靈敏度方向就相差90度，所以其輸入和輸出端與轉換開關的連接方式相同，但是當轉換開關分別位於第一檔和第二檔的時候，MR全橋電路通過轉換開關所輸出的信號相位差也相差90度。

實施例2：MR全橋電路有一個。圖4是實施例2的電路示意圖。如圖4所示：

MR全橋電路安裝有一個。MR全橋電路的正向激勵端Ex+、負向激勵端Ex-、正向輸出端V0+、負向輸出端V0-依次分別接入第一開關刀的上擲點S12、第四開關刀的上擲點S42、第二開關刀的上擲點S22、第三開關刀的上擲點S32；

同時，MR全橋電路的正向激勵端Ex+、負向激勵端Ex-、正向輸出端V0+、負向輸出端V0-依次分別接入第二開關刀的下擲點S23、第四開關刀的下擲點S43、第三開關刀的下擲點S33、第一開關刀的下擲點S13。

這樣轉換開關可通過改變四個單刀雙擲開關S1～S4中八個擲點的連接方法，實現採樣信號是兩組互成90度夾角的MR橋的輸出信號。

信號調理電路4的主要作用是給MR全橋電路2提供激勵及對其輸出信號進行濾波放大。MR全橋電路2的激勵信號需要適當的穩壓和去除紋波，以保證MR全橋電路2的輸出信號的穩定。信號調理電路4經過穩壓和濾波後，輸出激勵電壓給MR全橋電路2。而MR全橋電路2的輸出信號進信號調理電路4中的放大器濾波和放大後，達到合理的電平幅值輸出到後續的數據轉換電路5。

數據轉換電路5的目的是將MR全橋電路2的輸出電平信號最後轉換成數字量，以便通過通訊埠6輸出。其輸入信號為信號調理電路4的輸出，然後其內部電路中的ADC將會將此電平轉換成數字量，而後其內部的MCU將按照公式進行運算和轉換，最後得到旋轉字輪1上的數字信息，而後通過通訊埠6輸出此信息。

通訊埠的目的是將最後轉換好了的字輪數據傳遞給後續系統。通常可以採用的通訊接口方式有SPI，IIC，UART等。

基於MR的直讀字輪的讀數方法就是根據MR全橋電路的輸出量，得知旋轉字輪外圍的字輪讀數，具體步驟為：

步驟1、旋轉字輪1相對於MR全橋電路2所旋轉的角度和旋轉字輪1的讀數一一對應，根據此對應關係，建立對應表格，並將此對應表格儲存於MCU，作為計算的已知量。

步驟2、旋轉字輪1旋轉至某一未知角度，即待測角度φx。此時旋轉字輪1的讀數也未知。

由於MR全橋電路2固定且位置不變動，所以MR全橋電路2的靈敏度角度也不變。所以旋轉字輪1旋轉之後，待測角度φx即為旋轉字輪1的旋轉角度與MR全橋電路2的靈敏度角度之間的夾角。待測角度φx與MR全橋電路2所輸出的信號幅值Vmr之間的關係為：

Vmr＝Gain*M*Sin(φx) (1)

式(1)中，Gain為MR全橋電路的靈敏度值，M為磁鐵場強，均為與電路本身性質相關的已知量。圖9是MR全橋電路的輸出曲線示意圖。

步驟3、將轉換開關3置於第一檔位，即四個單刀雙擲開關S1～S4的上擲點均接通；得到在第一檔位時，MR全橋電路2的輸出幅值為V，如圖9所示，由於所輸出的是正弦曲線，所以在同一個周期內，每個函數值對應兩個自變量，所以可根據式(1)，得到輸出幅值V所對應的角度φ1和φ2。

步驟4、將轉換開關置於第二檔位，即四個單刀雙擲開關中的下擲點均接通；得到在第二檔位時，MR全橋電路的輸出幅值為V1，同理根據式(1)，得到輸出幅值V所對應的角度φ3和φ4；

步驟5、比較角度φ1、φ2、φ3和φ4；如果存在有兩個互相相等的角度，則可確定其即為旋轉字輪所旋轉的待測角度φx。

步驟3～步驟5可用一具體的數字例子說明，例如可參見圖9，在第一檔位時，MR全橋電路2的輸出幅值為V＝450，則其所對應的角度φ1＝90，φ2＝360。

在第二檔位時，MR全橋電路2的輸出幅值為V＝0，則其所對應的角度φ3＝90和φ4＝270。

比較角度φ1、φ2、φ3和φ4，由於存在φ1＝φ3，則可確定待測角度φx＝φ1＝φ3＝90

步驟6、由於待測角度φx和旋轉字輪1的讀數一一對應，根據步驟1中的對應表格，待測角度φx已知之後，可讀出待測角度φx所對應的旋轉字輪讀數。

在上述步驟3～步驟6中的計算和對比過程，均是MR全橋電路2通過轉換開關3之後，將所輸出的數值輸入至數據轉換電路5之後，在數據轉換電路5中的MCU計算完成，並通過數據輸出埠輸出。

以上所述的僅是本發明的優選實施方式，本發明不限於以上實施例。可以理解，本領域技術人員在不脫離本發明的精神和構思的前提下直接導出或聯想到的其他改進和變化，均應認為包含在本發明的保護範圍之內。