基于MR的直读字轮及其读数方法与流程

本发明涉及一种水气煤三表用的计度器读出技术，尤其涉及一种基于MR的直读字轮及其读数方法。

背景技术：

随着水气煤三表集中抄表的普及，计度器的读出一直是一个难题。常见的方案中，常规的脉冲式电子计量和机械计度器之间由于干扰等原因，会产生很大的误差；另外一种方案，采用光电编码的方式来对字轮进行编码读取，其功耗大，易受外界干扰。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明公开了一种属于水气煤三表用的计度器读出模块的机械及电气硬件、嵌入式软件结合的电路实现方法，具体是指一种基于MR(磁阻)的计度器读出模块的电路技术，即一种基于MR的直读字轮及其读数方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于MR的直读字轮，包括旋转字轮、MR全桥电路、转换开关、信号调理电路和数据转换电路；

所述旋转字轮中装有磁铁，磁铁的磁极方向为旋转字轮的轴向；

所述MR全桥电路为MR传感器组成的惠斯通电桥；

所述MR全桥电路固定于旋转字轮旁侧，与旋转字轮不接触；旋转字轮可相对于MR全桥电路旋转；

所述转换开关包括四个单刀双掷开关；每个单刀双掷开关均包括上掷点和下掷点；所述转换开关设置有两个档位，第一档位接通时，四个单刀双掷开关中的上掷点均接通，各个下掷点均空置；第二档位接通时，四个单刀双掷开关中的下掷点均接通，各个上掷点均空置；

MR全桥电路的输出端与转换开关相连接；当转换开关位于第一档位时，MR全桥电路输出第一正弦波；当转换开关位于第二档位时，MR全桥电路；第一正弦波和第二正弦波相位相差90度；

四个单刀双掷开关中，第一开关刀一端连接数据转换电路的电源端；第二开关刀和第三开关刀连接信号调理电路的两个输入端；第四开关刀接地；

所述信号调理电路为低功耗运放模块；所述信号调理电路的信号输出端口连接数据转换电路的信号输入端口；所述数据转换电路为内含ADC模块的MCU。

其进一步的技术方案为：所述信号调理电路是型号为AD8613的低功耗运放；所述数据转换电路是型号为MSP430的MCU。

其进一步的技术方案为：所述MR全桥电路安装有两个，两个MR全桥电路的灵敏度方向互相垂直；

第一MR全桥电路的正向激励端、负向激励端、正向输出端、负向输出端依次分别接入第一开关刀的上掷点、第四开关刀的上掷点、第二开关刀的上掷点、第三开关刀的上掷点；

第二MR全桥电路的正向激励端、负向激励端、正向输出端、负向输出端依次分别接入第一开关刀的下掷点、第四开关刀的下掷点、第二开关刀的下掷点、第三开关刀的下掷点。

其进一步的技术方案为：所述MR全桥电路安装有一个；MR全桥电路的正向激励端、负向激励端、正向输出端、负向输出端依次分别接入第一开关刀的上掷点、第四开关刀的上掷点、第二开关刀的上掷点、第三开关刀的上掷点；

同时，MR全桥电路的正向激励端、负向激励端、正向输出端、负向输出端还依次分别接入第二开关刀的下掷点、第四开关刀的下掷点、第三开关刀的下掷点、第一开关刀的下掷点。

其进一步的技术方案为：所述MR传感器为AMR传感器。

其进一步的技术方案为：所述MR传感器为GMR传感器。

其进一步的技术方案为：所述MR传感器为TMR传感器。

一种基于MR的直读字轮的读数方法，包括以下步骤：

步骤1、旋转字轮所旋转的角度和旋转字轮的读数一一对应，根据此对应关系，建立对应表格；

步骤2、旋转字轮旋转至待测角度φ_x；

待测角度φ_x即为旋转字轮的旋转角度与MR全桥电路的灵敏度角度之间的夹角；待测角度φ_x与MR全桥电路所输出的信号幅值Vmr之间的关系为：

Vmr＝Gain*M*Sin(φ_x) (1)

式(1)中，Gain为MR全桥电路的灵敏度值，M为磁铁场强；

步骤3、将转换开关置于第一档位，即四个单刀双掷开关的上掷点均接通；得到在第一档位时，MR全桥电路的输出幅值为V，并根据式(1)，得到输出幅值V所对应的角度φ₁和φ₂；

步骤4、将转换开关置于第二档位，即四个单刀双掷开关中的下掷点均接通；得到在第二档位时，MR全桥电路的输出幅值为V₁，并根据式(1)，得到输出幅值V所对应的角度φ₃和φ₄；

步骤5、比较角度φ₁、φ₂、φ₃和φ₄；如果存在有两个互相相等的角度，则可确定其即为旋转字轮所旋转的待测角度φ_x；

步骤6、根据所述步骤1中的对应表格，读出待测角度φ_x所对应的旋转字轮读数。

本发明的有益技术效果是：

本发明成本低廉，而又低功耗，能够满足三表集中抄表的计度器读出需求。且线路稳定，不易被干扰，适合家庭及工业各个场合的使用。

通常MR的阻值可以设计达到几百千欧姆，而当用3.3V的激励去驱动此MR全桥时，其功耗才几十微安，外加MCU信号调理等部分，总的电流消耗也在一个毫安以下。所以，本发明的功耗远远低于光电直读类型的方案。

附图说明

图1是本发明的电路架构示意图。

图2是MR全桥电路的示意图。

图3是旋转字轮的机械结构图。

图4是MR全桥电路和旋转字轮的相对位置侧视图。

图5是圆形磁铁和MR全桥电路芯片的相对位置示意图。

图6是柱形磁铁和MR全桥电路芯片的相对位置示意图。

图7是实施例1的电路示意图。

图8是实施例2的电路示意图。

图9是MR全桥电路的输出曲线示意图。

具体实施方式

图1是本发明的电路架构示意图。如图1所示，本发明包括包括旋转字轮1、MR全桥电路2、转换开关3、信号调理电路4、数据转换电路5。还包括通讯接口，用于输出数据转换电路的输出信号。

旋转字轮1中装有磁铁，磁铁的磁极方向与旋转字轮的径向方向相同。磁铁是嵌入到字轮中的，其磁场方向和MR桥灵敏度方向成水平面平行。图2是旋转字轮的机械结构图。如图2所示，旋转字轮外侧面设置有读数，当其参照方向确定之后，旋转字轮的旋转角度与其参照方向上的读数是一一对应的，可以事先确定一个对应表。

MR全桥电路2是MR传感器组成的惠斯通电桥。MR(Magneto Resistance，磁阻)传感器广泛用于现代工业和电子产品中以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。图3是MR全桥电路的示意图。图3中的元件R1～R4均为MR器件，其电路的连接方式与电阻组成的惠斯通电桥电路相同。

MR桥的激励信号需要适当的稳压和去除纹波，以保证MR桥输出信号的稳定。所以，信号调理电路4稳压和滤波后，输出激励电压给MR桥。而MR桥的输出信号进信号调理电路4中的放大器滤波和放大后，达到合理的电平幅值输出到后续电路中。

在具体的实施例中，MR传感器可以使用AMR传感器时，当使用AMR传感器时，可以采用市售的AMR传感器，例如：Murata MRSS29DR，由于其为单Sensor，所以要采用4个组成全桥电路。

MR传感器还可以使用GMR传感器，当使用GMR传感器时，通常可以采用市售的GMR传感器，例如：NVE AA006。

MR传感器还可以使用TMR传感器时，通常可以采用市售的TMR传感器，例如：NVE AAT001。

MR全桥电路2固定于旋转字轮旁侧，与旋转字轮1不接触。旋转字轮1可相对于MR全桥电路2旋转。在旋转时，MR全桥电路2的方向固定不变。图4是MR全桥电路和旋转字轮的相对位置侧视图。如图4所示，当旋转字轮1旋转时，MR全桥电路2固定，则以MR全桥电路2作为参照，旋转字轮1与MR全桥电路2的灵敏度方向的夹角是与旋转字轮2外侧面的读数对应的。

图5是圆形磁铁和MR全桥电路芯片的相对位置示意图。图6是柱形磁铁和MR全桥电路芯片的相对位置示意图。磁铁是固定在旋转字轮1内部的。可从图5和图6中看到，无论使用何种形状的磁铁，当旋转字轮相对于MR全桥电路旋转时，磁铁的磁感线方向旋转，MR全桥电路输出的信号幅值随着变化。

MR全桥电路2包括正向激励端E_x+、负向激励端E_x-、正向输出端V₀+、负向输出端V₀-。MR全桥电路的灵敏度方向定义为由负向激励端Ex-指向正向激励端Ex+的方向。

MR全桥电路2的激励源由后端电路提供，其输出信号通过切换开关输入到信号调理电路4。

转换开关3包括四个单刀双掷开关S1～S4。每个单刀双掷开关均包括一个开关刀和两个掷点：上掷点和下掷点。转换开关3设置有两个档位，第一档位接通时，四个单刀双掷开关S1～S4中的上掷点均接通，各个下掷点均空置；第二档位接通时，四个单刀双掷开关S1～S4中的下掷点均接通，各个上掷点均空置；

MR全桥电路2的输出端与转换开关3相连接。当转换开关3位于第一档位时，MR全桥电路2输出第一正弦波；当转换开关3位于第二档位时，MR全桥电路输出第二正弦波；第一正弦波和第二正弦波的相位相差90度。

四个单刀双掷开关中，第一开关刀S11一端连接MCU的电源端；第二开关刀S21和第三开关刀S31连接信号调理电路4的两个输入端；第四开关刀S41接地。

信号调理电路4主要用于将差分信号转换成单端信号，以便输入至后续的数据转换电路5。信号调理电路4可使用市售的低功耗运放模块实现，例如可使用型号为AD8613的低功耗运放。。

数据转换电路通常由内含ADC的MCU完成，比如可使用型号为MSP430的MCU。

具体的引脚连接方法，可以参照市售的各型号模块所配有的技术手册，不在详述。

为了使得第一正弦波和第二正弦波的相位相差90度，可通过改变四个单刀双掷开关S1～S4中八个掷点的连接方法来改变，本发明包括两种实施方式如下：

实施例1：MR全桥电路有两组。图7是实施例1的电路示意图。如图7所示：

MR全桥电路安装有两个，两个MR全桥电路的灵敏度方向互相垂直。

第一MR全桥电路的正向激励端E_x1+、负向激励端E_x1-、正向输出端V₀₁+、负向输出端V₀₁-依次分别接入第一开关刀的上掷点S12、第四开关刀的上掷点S42、第二开关刀的上掷点S22、第三开关刀的上掷点S32；

第二MR全桥电路的正向激励端E_x2+、负向激励端E_x2-、正向输出端V₀₂+、负向输出端V₀₂-依次分别接入第一开关刀的下掷点S13、第四开关刀的下掷点S43、第二开关刀的下掷点S23、第三开关刀的下掷点S33。

在实施例1中，由于两组MR全桥电路本身的灵敏度方向就相差90度，所以其输入和输出端与转换开关的连接方式相同，但是当转换开关分别位于第一档和第二档的时候，MR全桥电路通过转换开关所输出的信号相位差也相差90度。

实施例2：MR全桥电路有一个。图4是实施例2的电路示意图。如图4所示：

MR全桥电路安装有一个。MR全桥电路的正向激励端E_x+、负向激励端E_x-、正向输出端V₀+、负向输出端V₀-依次分别接入第一开关刀的上掷点S12、第四开关刀的上掷点S42、第二开关刀的上掷点S22、第三开关刀的上掷点S32；

同时，MR全桥电路的正向激励端E_x+、负向激励端E_x-、正向输出端V₀+、负向输出端V₀-依次分别接入第二开关刀的下掷点S23、第四开关刀的下掷点S43、第三开关刀的下掷点S33、第一开关刀的下掷点S13。

这样转换开关可通过改变四个单刀双掷开关S1～S4中八个掷点的连接方法，实现采样信号是两组互成90度夹角的MR桥的输出信号。

信号调理电路4的主要作用是给MR全桥电路2提供激励及对其输出信号进行滤波放大。MR全桥电路2的激励信号需要适当的稳压和去除纹波，以保证MR全桥电路2的输出信号的稳定。信号调理电路4经过稳压和滤波后，输出激励电压给MR全桥电路2。而MR全桥电路2的输出信号进信号调理电路4中的放大器滤波和放大后，达到合理的电平幅值输出到后续的数据转换电路5。

数据转换电路5的目的是将MR全桥电路2的输出电平信号最后转换成数字量，以便通过通讯端口6输出。其输入信号为信号调理电路4的输出，然后其内部电路中的ADC将会将此电平转换成数字量，而后其内部的MCU将按照公式进行运算和转换，最后得到旋转字轮1上的数字信息，而后通过通讯端口6输出此信息。

通讯端口的目的是将最后转换好了的字轮数据传递给后续系统。通常可以采用的通讯接口方式有SPI，IIC，UART等。

基于MR的直读字轮的读数方法就是根据MR全桥电路的输出量，得知旋转字轮外围的字轮读数，具体步骤为：

步骤1、旋转字轮1相对于MR全桥电路2所旋转的角度和旋转字轮1的读数一一对应，根据此对应关系，建立对应表格，并将此对应表格储存于MCU，作为计算的已知量。

步骤2、旋转字轮1旋转至某一未知角度，即待测角度φ_x。此时旋转字轮1的读数也未知。

由于MR全桥电路2固定且位置不变动，所以MR全桥电路2的灵敏度角度也不变。所以旋转字轮1旋转之后，待测角度φ_x即为旋转字轮1的旋转角度与MR全桥电路2的灵敏度角度之间的夹角。待测角度φ_x与MR全桥电路2所输出的信号幅值Vmr之间的关系为：

Vmr＝Gain*M*Sin(φ_x) (1)

式(1)中，Gain为MR全桥电路的灵敏度值，M为磁铁场强，均为与电路本身性质相关的已知量。图9是MR全桥电路的输出曲线示意图。

步骤3、将转换开关3置于第一档位，即四个单刀双掷开关S1～S4的上掷点均接通；得到在第一档位时，MR全桥电路2的输出幅值为V，如图9所示，由于所输出的是正弦曲线，所以在同一个周期内，每个函数值对应两个自变量，所以可根据式(1)，得到输出幅值V所对应的角度φ₁和φ₂。

步骤4、将转换开关置于第二档位，即四个单刀双掷开关中的下掷点均接通；得到在第二档位时，MR全桥电路的输出幅值为V₁，同理根据式(1)，得到输出幅值V所对应的角度φ₃和φ₄；

步骤5、比较角度φ₁、φ₂、φ₃和φ₄；如果存在有两个互相相等的角度，则可确定其即为旋转字轮所旋转的待测角度φ_x。

步骤3～步骤5可用一具体的数字例子说明，例如可参见图9，在第一档位时，MR全桥电路2的输出幅值为V＝450，则其所对应的角度φ₁＝90，φ₂＝360。

在第二档位时，MR全桥电路2的输出幅值为V＝0，则其所对应的角度φ₃＝90和φ₄＝270。

比较角度φ₁、φ₂、φ₃和φ₄，由于存在φ₁＝φ₃，则可确定待测角度φ_x＝φ₁＝φ₃＝90

步骤6、由于待测角度φ_x和旋转字轮1的读数一一对应，根据步骤1中的对应表格，待测角度φ_x已知之后，可读出待测角度φ_x所对应的旋转字轮读数。

在上述步骤3～步骤6中的计算和对比过程，均是MR全桥电路2通过转换开关3之后，将所输出的数值输入至数据转换电路5之后，在数据转换电路5中的MCU计算完成，并通过数据输出端口输出。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。