本申請涉及一種水表轉換器，尤其指一種低功耗電磁水表轉換器。

背景技術：

隨著電子技術和計算技術的快速發展，電磁流量計的應用越來越廣泛；電磁流量計因其口徑范圍大、量程比大、精度高、無壓損等優點，是得其在工業領域得到廣泛的應用；目前的電磁流量計的供電方式有工頻220v交流供電和3.6v電池供電兩種，在220v交流供電不易獲得和布線難度大時，需采用電池供電，電池供電電磁流量計需要特別注意低功耗的設計，在保證使用使用壽命的同時，不降低計量精度，使得電池供電電磁水表轉換器的設計難度大大增加；為要降低轉換器的功耗，必須著重降低信號處理部分和勵磁部分的功耗。

目前的電磁水表轉換器的信號處理部分主要是以模擬信號處理為主，主要包括前置放大電路、后級放大電路、模擬帶通濾波器、采樣保持電路、模數轉換等；電路結構復雜，組件過多；同時過高的放大倍數，也增加了電路的噪聲，尤其在干擾信號較大時，使得運算放大器易飽和。在勵磁電路中，目前的轉換器存在功耗普遍較大，集成芯片較多，成本較高等缺點；在轉換器休眠時，目前的轉換器沒有將與計量無關的電路關閉，以節省電量。

請參閱圖1，為傳統模擬同步解調方法的電路示意圖，其兩個信號電極上產生微弱的感應電壓需要經過前置放大電路、后級放大電路、模擬帶通濾波器、采樣保持電路、低速ad轉換器、低主頻mcu，其信號放大倍數為幾百倍，電路復雜度、電路噪聲與電路成本也較大。

技術實現要素：

有鑒于此，本申請提出了一種低功耗電磁水表轉換器，其用以解決目前電池供電的電磁水表轉換器存在的重大問題，轉換器存在功耗普遍較大，集成芯片較多，成本較高等缺點，且電能消耗也較高。

為了解決上述問題，本申請提供一種低功耗電磁水表轉換器，其特征在于，其包括：微控制模塊，其發出第一脈波信號與第二脈波信號；勵磁驅動模塊，其電性連接于所述微控制模塊，所述勵磁驅動模組接收所述脈波信號，并回傳反饋信號于所述微控制模塊，所述勵磁驅動模塊發出勵磁訊號；傳感模塊，其電性連接于所述勵磁驅動模塊，所述傳感模塊接受勵磁訊號，而發出第一信號與第二信號；以及信號處理模塊，其電性連接于所述傳感模塊，所述信號處理模塊包含信號放大單元與模數轉換單元，所述信號放大單元電性連接所述模數轉換單元，所述信號放大單元接收所述第一信號與所述第二信號，并將所述第一信號與所述第二信號傳遞至所述模數轉換單元，所述模數轉換單元接收所述第一信號與所述第二信號，并轉換成轉換信號，所述轉換訊號傳遞至所述微控制模塊；其中，空管檢測電路單元電性連接所述傳感模塊與所述信號處理模塊間，并且檢測所述第一信號與所述第二信號，且所述空管檢測電路單元接收所述微控制模塊的第二脈波訊號。

根據本申請的一實施方式，上述的更包含喚醒觸發電路單元、液晶顯示單元與紅外通信單元，所述喚醒觸發電路單元、所述液晶顯示單元與所述紅外通信單元各分別電性連接于所述微控制模塊，而所述喚醒觸發電路單元驅動所述液晶顯示單元與所述紅外通信單元。

根據本申請的一實施方式，上述的所述紅外通信單元具有發射電路和接收電路，以對于所述微控制模塊內的參數設定。

根據本申請的一實施方式，上述的所述紅外通信單元采用波長為930nm-950nm，載波頻率為33khz-43khz的近紅外光。

根據本申請的一實施方式，上述的所述液晶顯示單元顯示當前流速、正向累計流量、反向累計流量與總累計流量。

根據本申請的一實施方式，上述的更包含通信單元，所述通信單元電性連接于所述微控制模塊。

根據本申請的一實施方式，上述的所述通信單元為rs485。

根據本申請的一實施方式，上述的所述勵磁驅動模塊的勵磁訊號為低頻脈沖矩形波勵磁。

根據本申請的一實施方式，上述的所述勵磁驅動模塊的勵磁訊號為1/8工頻或1/4工頻。

根據本申請的一實施方式，上述的量程比為1500：1。

通過此種低功耗電磁水表轉換器包含的微控制模塊、勵磁驅動模塊、傳感模塊、信號處理模塊等等結構，而對于勵磁驅動與信號處理等方式，極大的降低了電磁水表轉換器的功耗。本申請采用數字過采樣技術和數字勵磁技術，其可帶來高精度、超低功耗、高可靠性、成本低、電路簡化等優點。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本申請的進一步理解，構成本申請的一部分，本申請的示意性實施方式及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。在附圖中：

圖1為習知技術的模擬同步解調方法的電路示意圖；

圖2為本申請的低功耗電磁水表轉換器的數字過采樣架構示意圖；

圖3為本申請的低功耗電磁水表轉換器的勵磁電路示意圖；

圖4為本申請的低功耗電磁水表轉換器的紅外通信電路示意圖；

圖5為本申請的低功耗電磁水表轉換器標定模式的流量信號同步解調示

意圖；

圖6為本申請的低功耗電磁水表轉換器正常工作模式的流量信號同步解

調示意圖；以及

圖7為本申請的低功耗電磁水表轉換器工作流程圖。

具體實施方式

以下將以圖式揭露本申請的多個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一并說明。然而，應了解到，這些實務上的細節不應用以限制本申請。也就是說，在本申請的部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與組件在圖式中將以簡單的示意的方式繪示的。

請參閱圖2，其為本申請的低功耗電磁水表轉換器的數字過采樣架構示意圖。如圖所示，本實施方式提供一種低功耗電磁水表轉換器1，其用以解決目前電池供電的電磁水表轉換器存在的電路結構復雜、成本較高、功耗較大導致電量消耗較快等等缺點。于本實施方式中，低功耗電磁水表轉換器1包含微控制模塊11、勵磁驅動模塊13、傳感模塊15、信號處理模塊17與空管檢測電路單元19。

于本實施方式中，微控制模塊11為高主頻低功耗的stm32l476vet6芯片，微控制模塊11需要實現數字濾波計算，數據處理量較大，因而使用的低功耗微控制模塊11為高主頻低功耗微控制模塊。微控制模塊11分別電性連接于勵磁驅動模塊13與空管檢測電路單元19。微控制模塊11產生兩路互補脈沖寬度調制(即pwm)的勵磁驅動信號(以下稱作第一脈波信號與第二脈波信號)，第一脈波信號傳輸至勵磁驅動模塊13，第二脈波信號傳輸至空管檢測電路單元19。勵磁驅動模塊13電性連接于傳動模塊15，而勵磁驅動信號(即第一脈波信號)通過勵磁驅動模塊13以驅動傳感模塊15的勵磁線圈。水在傳感模塊15中的管道切割磁場，兩個信號電極上產生微弱的感應電壓(即第一信號e1與第二信號e2)，并傳遞至信號處理模塊17。其中低功耗電磁水表轉換器1的勵磁方式為低頻脈沖矩形波勵磁，且勵磁訊號為1/8工頻或1/4工頻。

再者，信號處理模塊17具有信號放大單元171與模數轉換單元173。第一信號e1與第二信號e2通過信號放大單元171(如差分放大器ad8220)放大10倍后，再直接經過模數轉換單元173(如高速ad轉換器ad7172-2)進入微控制模塊11。于本實施方式中，信號放大單元171為一級儀表放大電路，模數轉換單元173為高速24位模數轉換器，微控制模塊11則采用st的低功耗高性能處理器stm32l476vet6，其內部具有fpu單元，可以用于快速實現數字信號調制濾波。一級儀表放大電路采用具有軌到軌輸出的jfet輸入儀表放大器ad8220芯片，其具有較高的共模抑制比、低輸入噪聲、低偏置和失調電流，使得流量原始信號能夠被真實的捕獲，通過ad8220芯片將流量原始信號放大十倍后，直接進入24位、采樣輸出率為31.25ksps高速模數轉換器ad7172-2，然后通過高速spi通信，將數據采集到低功耗高性能處理器stm32l476vet6內部。

又，信號處理模塊17僅將流量原始信號放大十倍，與傳統方法(放大幾百倍)相比，信號更具有真實性，噪聲也更低，31.25ksps的采樣率在一個勵磁周期內可以提供多達數千個模數轉換采樣點，然后采用有限脈沖響應(fir)數字濾波器對數據進行濾波，可以實現3毫米/秒的流速分辨率。另外，于本實施方式更包含存儲電路，儲存電路是64k字節容量的eeprom存儲器，存儲低功耗電磁水表轉換器的參數信息，還可以存儲當前數據和近12個月的歷史數據，所有數據在掉電時不丟失，在低功耗電磁水表轉換器上電時恢復所有數據。其中低功耗電磁水表轉換器的量程比可高達1500：1。

請參閱圖3，其為本申請的低功耗電磁水表轉換器的勵磁電路示意圖。如圖所示，于本實施方式中，本申請的勵磁驅動模塊13采用單芯片，即可產生恒流源，使用一個5到15歐姆間的精密電阻可設置勵磁電流的大小。本申請的勵磁驅動電路相較于傳統的恒流源電路簡化。本實施方式采用電機驅動芯片a3906sestr-t內部的脈沖寬度調制(即pwm)電流限制控制產生恒流電流源，同時可以利用芯片通過信號，以判斷是否勵磁電極是否斷路。如果檢測到勵磁線圈斷路，則停止檢測，如此能夠簡化勵磁驅動模塊13。其中勵磁驅動模塊產生20ma的勵磁電流，極大的降低勵磁電流的流量。

再者，空管檢測電路單元19電性連接于傳感模塊15與信號處理模塊17間的電路，并且空管檢測電路19對兩信號電極施加一個低壓交流低頻信號，同時通過采集檢測傳感模塊15發出的第一信號e1與第二信號e2。當低功耗電磁水表轉換器1處于未檢測狀態時，空管檢測電路單元19才可以執行，如此避免干擾低功耗電磁水表轉換器1于正常運作的流量信號。微控制模塊11產生兩路互補pwm空管檢測驅動信號，同時信號處理模塊17采集傳感模塊15的兩信號電極上的感應電壓e1與e2，以計算出兩信號電極間的電阻，以便于判斷是否空管。當檢測到空管時，低功耗電磁水表轉換器1將不會進行檢測，于傳感模塊15的兩信號電極上的空管檢測電壓為正、負電壓，以避免出現電極極化的現象。

于本實施方式中，喚醒觸發電路單元21、紅外通信單元23與液晶顯示單元25各分別電性連接于微控制模塊11，而喚醒觸發電路單元21驅動紅外通信單元23與液晶顯示單元25。其中喚醒觸發電路單元21用于紅外通信單元23和液晶顯示單元25的喚醒啟用。若低功耗電磁水表轉換器1無人進行操作時，紅外通信單元23和液晶顯示單元25處于關閉狀態，而低功耗電磁水表轉換器1的計量和存儲功能一直處于運作狀態。若對低功耗電磁水表轉換器1進行人工操作時，需要人工使用磁鐵激活喚醒觸發電路單元21，觸發后紅外通信單元23和液晶顯示單元25處于開啟狀態。低功耗電磁水表轉換器1處于正常工作模式時，紅外通信單元23和液晶顯示單元25開五到十五分鐘后低功耗電磁水表轉換器1進入關閉狀態，低功耗電磁水表轉換器1處于標定模式時，紅外通信單元23和液晶顯示單元25將持續運作。又，液晶顯示單元25具有128*64分辨率，可以顯示當前流速、正向累計流量、反向累計流量、總累計流量等信息。

再者，低功耗電磁水表轉換器1具有正常工作模式和標定模式，可以通過紅外遙控器將其設置在不同工作模式，在標定模式時，低功耗電磁水表轉換器1將一直勵磁，液晶顯示單元、紅外通信單元和rs485通訊單元將一直處于打開狀態，標定完畢后可以將其設置為正常工作模式，以便節省電量；正常工作模式時，處于間歇性勵磁。

承上所述，于本申請的電源一部分采用5節功率型鋰亞電池er34615并聯組成，并直接產生3.6v的電壓微控制模塊11、紅外通信單元23、勵磁驅動模塊13供電。電源另一部分采用一個xc6206p302pr低功耗電源芯片產生3.0v電壓，同時使用me7660c電荷泵芯片產生-3.0v電壓，+3.0v電壓供電給信號處理模塊17。其中電源部分僅采用兩個電源芯片就可以滿足整板的供電要求，極大的降低了整板的靜態功耗。

請參閱圖4，為本申請的低功耗電磁水表轉換器的紅外通信電路示意圖。如圖所示，紅外通信單元23是采用波長為930nm-950nm，載波頻率為33khz-43khz的近紅外光。本實施方式是采用波長為940nm，載波頻率為38khz的近紅外光，紅外通信單元23具有發射電路和接收電路兩部分組成，可以和紅外遙控器或紅外掌機進行信息交互，便于對低功耗電磁水表轉換器1進行參數設置等操作。發射電路采用了l51r4-45-c-l6的光電發射管，由微控制模塊11的一個定時器產生38khz的載波頻率。接收電路采用了集成式一體化接收管w0038f-30-d1，直接輸入到微控制模塊11的串口輸入引腳。

請復參閱圖2，于本實施方式中更包含低功耗rs485通信單元27，其方便進行現場設備通信或gprs模塊通信，且能夠將流量信號傳送至上位機管理軟件，其中低功耗rs485通信電路采用max3471eua超低功耗rs485集成芯片，其在接受模式下僅消耗1.6ua電流，極大降低了通信功耗。另外，低功耗電磁水表轉換器1采用modbusrtu通信標準協議，兼容性好。

請參閱圖5，其為本申請的低功耗電磁水表轉換器標定模式的流量信號同步解調示意圖。如圖所示，低功耗電磁水表轉換器1處于標定模式時，所有的功能將會一直處于打開狀態，并且一直輸出勵磁驅動信號。在勵磁驅動信號的作用下，其流過電磁水表傳感模塊15的線圈實現電流換向，測量管內的磁場方向和傳感模塊15電極信號方向也隨之反轉。在第n個周期時，微控制模塊11根據當前的勵磁方向，將正半周期的模數轉換(即adc)樣本放入一組數組中，將負半周期的模數轉換(即adc)樣本放入另一組數組中。隨后，每一組均經過有限脈沖響應(即fir)的數字低通濾波器，濾波器截止頻率設置為30赫茲，允許有用信號通過，但會抑制電力線頻率干擾和高頻噪聲成分。

請參閱圖6，其為本申請的低功耗電磁水表轉換器正常工作模式的流量信號同步解調示意圖；如圖所示，低功耗電磁水表轉換器1處于正常工作模式時，其不再一直輸出勵磁驅動信號，而是通過設置的測量階段和休眠階段的時間進行間歇性勵磁，以達到省電的目的。故，低功耗電磁水表轉換器1為間歇性勵磁，完整的勵磁工作周期分為兩個階段。測量階段或休眠階段；在測量階段，低功耗電磁水表轉換器進行量，在休眠階段，低功耗電磁水表轉換器處于低功耗模式，所有電路除了微控制模塊11部分均處于關閉狀態，以節省電量；測量階段和休眠階段的時間根據實際應用要求均可設置，休眠階段越長，測量階段越短，電池供電時間越長。

請參閱圖7，為本申請的低功耗電磁水表轉換器工作流程圖。如圖所示，本實施方式的低功耗電磁水表轉換器1的工作流程包含以下步驟，于步驟s1中，對硬件的參數初始化，然后從存儲器讀取參數。于步驟s3中，系統進入實時時鐘(即rtc)喚醒模式。于步驟s5中，檢查是否為自檢模式的時間，若為自檢模式的時間已到，則進入步驟s7。于步驟s7中，系統進入自檢模式。于自檢模式中，系統會對各個參數進行檢查，并檢測是否有空管或勵磁斷線等故障信息，自檢完畢后，則自動進入步驟s13的休眠模式。

承上所述，于步驟s5中，若自檢時間尚未到，則進入步驟s9。于步驟s9中，檢測是否有空管或勵磁斷線等故障信息。若沒有空管或勵磁斷線等情況發生,則進入步驟s13的休眠模式。若有空管或勵磁斷線等情況發生，則進入步驟s11的測量模式。于測量完畢后，進入步驟s13的休眠模式。如果有故障信號，則直接進入休眠模式。系統按照此工作流程循環工作。其中rtc喚醒休眠模式時，微控制模塊11僅消耗1.4ua電流，可以很大程度上提升電磁水表轉換器的使用壽命。

于本實施方式中，其針對于習知技術的缺點進行改良，習知轉換器的組件較多導致成本高，且功耗較大。故，本發明提供一種低功耗電磁水表轉換器，其包含微控制模塊、勵磁驅動模塊、傳感模塊、信號處理模塊與空管檢測模塊。本發明采用數字過采樣技術和數字勵磁技術，具有高精度、超低功耗、高可靠性、成本低、電路簡化等優點。

上述說明示出并描述了本發明的若干優選實施方式，但如前所述，應當理解本發明并非局限于本文所披露的形式，不應看作是對其他實施方式的排除，而可用于各種其他組合、修改和環境，并能夠在本文所述發明構想范圍內，通過上述教導或相關領域的技術或知識進行改動。而本領域人員所進行的改動和變化不脫離本發明的精神和范圍，則都應在本發明所附權利要求的保護范圍內。