专利名称：经由交流电源线在交流动力工具中检索数据的系统和方法
技术领域：
本发明涉及电驱动动力工具(electrically driven power tool)，尤其涉及一种通过动力工具的输电线(power line)在置于该工具内部的电子模块(electronic module)和外部数据记录设备(external data logging device)之间传送信息的装置和方法，从而获得与动力工具有关的数据而不必在物理上拆卸动力工具。
背景技术：
对于现代的动力工具，非常期望能够提供一些方式，从而可以不必需要拆卸工具的外壳或者机械地进入该工具的内部部分就可以获得与该工具的使用和其它与操作相关的信息。诸如控制器/存储器模块之类的现代电子组件非常小，因此可以很容易地将它们封装在诸如钻孔机、锯子、磨沙机等各种类型的动力工具的外壳之内。一种允许外部设备通过动力工具的电源线与该工具外壳内部的电子模块通信以获得与该动力工具的使用和/或操作相关的信息的系统和/或方法将是非常有利的。这样的系统不需要维护技术人员拆卸该工具以访问所述电子模块。它将允许生产商快速和容易地获取由电子模块记录的与操作和使用非常相关的信息。它另外不需要在外壳的某处包括一个内部维护(intercare)端口，而在诸如钻孔机、手磨沙机等等之类的小型、手持动力工具上并不容易实现intercare端口。
发明内容
本发明致力于一种使用外部设备通过动力工具的电源线与安装在动力工具外壳内部的电子模块通信的装置和方法。在一个优选形式中，电子模块与置于动力工具内的控制器通信，该控制器识别通过该工具的电源线传送的信号，而该信号表示动力工具要处于通信模式之中。
本发明的装置包括一个外部接口子系统，它连接到诸如个人计算机或膝上电脑之类的计算设备，并且还连接到动力工具的电源线。接口子系统还连接到交流(AC)电源。接口子系统生成一个AC信号，所述AC信号具有被施加到工具电源线的标准AC电主信号之外的不同频率和/或幅值。控制器把这个信号识别为指示出动力工具处于通信模式的一个指示。动力工具通过调节用于接通和关闭动力工具马达的一个开关设备来从它的控制模块中传送信息。调节开关设备使得在电源线上产生被接口子系统的电流读出电路觉察到的电流脉冲。动力工具内部的控制器还与接口子系统施加到工具电源线上的信号的频率同步。控制器调节开关设备以通过电源线产生与施加到电源线上的输入信号同步的一系列电流脉冲。这些电流脉冲形成编码信息，在一个优选形式中是二进制信息，表现出控制模块记录的各种类型的使用或操作信息。这些电流脉冲被接口子系统的电流读出器电路觉察到。接口子系统从编码信息中推知此使用/操作信息并发射使用/操作信息给一个外部数据记录装置。在一个实施例中，外部数据记录装置可以包括诸如个人计算机、膝上电脑或其它计算设备之类的计算装置。
在一个可选优选实施例中，接口子系统在动力工具的电源线上放置低功率直流信号作为输入信号。动力工具内部的控制器识别此直流信号的存在并把它作为一个命令翻译以便把动力工具置于通信模式中。控制器然后按需要调节动力工具的内部开关装置，以产生表示编码信号的电流脉冲，其中该编码信号表现出控制模块的储存内容。这些电流脉冲然后被接口子系统解码并且解码的信息被发射给一个适当的计算或数据记录装置。
置于动力工具中的电子模块可用于记录并提供涉及工具使用时间、与动力工具相关的序列号或用户信息、与动力工具相关的任何其它有价值的性能/操作数据等等的信息给外部接口子系统。本发明的一个主要优点是不需要拆卸动力工具来接近控制模块以便获取储存在它内部的信息。通过动力工具的电源线和使用与动力工具相关的控制器把施加适当的信号来调制工具内的开关组件，则表示可以通过工具的电源线发送来自工具控制模块中的储存信息的信号。来自接口子系统的输入信号被动力工具的控制器识别为一个命令很重要，该命令认为该工具处于通信模式中。在通信模式中，开关组件的开关动作如此工作，从而在来自控制模块中的数据正在被下载的同时不能把动力工具的电动机激励到足够的程度来使马达操作。另外一个利益是本发明不需要使用被包括在外壳上的一个单独的接口连接器。
从详细描述和附图中，将更完整地理解本发明，其中图1是根据本发明的整个系统的简化方框图，该系统与手提电脑和动力工具的电源线通信，并且在此用斜切锯来示出该动力工具；图2是电子控制模块连接到动力工具的控制器和工具的马达上的简化方框图；图3所示为AC输入信号波形、由工具内部的开关组件产生的脉冲串(plus train)、以及在从位于动力工具中的电子模块下载储存信息期间在工具的电源线上产生的电流脉冲；图4是接口子系统的电流读出器(current reader)的简化电气示意图；图5是说明电流脉冲如何能够被电容地连接到输入波形上的标本波形(sample waveform)，以向接口子系统发送储存在动力工具的电子控制模块中的数据；图6是一个示出了一个优选通信协议的波形，该协议用于发起与封装在工具上的电子模块进行通信；图7是示出了接口子系统和封装在工具内部的电子模块之间的“正”极性通信的波形；和图8是示出了接口子系统和电子模块之间的“负”极性通信的波形。
具体实施例方式
参见图1，示出了一个根据本发明优选实施例的系统10。系统10包括一个连接到AC电源的接口子系统12。该接口系统12经由合适的通信电缆14进一步与计算设备(computing device)13或者其它合适的数据记录设备(data logging device)相连接，并且连接到电驱动动力工具18的电源线16。接口子系统12包括一个将在下列段落中更详细描述的电流读出器(currentreader)电路20，和一个用于接收电源线16的插头24的电气插座22。
动力工具18包括马达26，该马达受与控制器28通信的功率开关设备26a的控制。控制器28进一步与封装在工具18的外壳内部的电子模块30通信。在实际中，可以通过单个电子元件来提供控制器28、开关28a和电子模块30。
使用电子模块30来存储使用信息或者与动力工具18的操作、所有权或性能有关的任何其它形式的数据。可以意识到动力工具接口子系统12和电子模块30本质上包括形成系统10的另外的组件。马达26、开关设备26a和控制器28是许多当今动力工具通常所包括的组件。在一个优选实施例中，开关26a包括一个可控硅整流器(thyristor)。
还应该意识到，虽然利用一个斜切锯来示出动力工具18，但是实际上任何形式的电驱动动力工具都能够使用本发明。因此，钻孔机、磨沙机、研磨机、其它形式的动力锯、挖刨、接合机等都能够使用本发明。对于诸如割草机、叶片和植物纤维修剪器、修边器、树篱修整器等之类的户外产品也可以使用本发明。
在通常操作中，当期望从电子模块30中下载储存信息或者向电子模块30发送信息时，接口子系统12连接到计算设备13和动力工具18。接口子系统12工作，以施加通过电源线16的低功率高频率输入信号。控制器28将此低功率高频率的信号识别为将动力工具18置为处于通信模式中的命令，允许由设置协议(set protocal)来控制存储和下载信息。施加到电源线16上的输入信号的电压和/或频率与标准AC电源电压(mains voltage)足够不同，从而使得控制器28立刻把它识别为一个进入通信模式的命令。输入信号幅值充分低，和/或频率足够高，从容使得动力工具18的马达26在与接口子系统12的通信过程期间实际上不开始转动。在一个优选形式中，输入信号包括一个96伏特(volt)、100赫兹(Hz)的AC信号。
动力工具18的控制器28进一步与高频AC输入信号同步。在一个优选实施例中，控制器28监控一个用于有效数据检索命令信号(valid data-retrieval command signal)的输入信号，然后继续以相应脉冲地调节开关设备26a。在输入信号的正和/或负周期期间开启电源开关设备26a。在一个优选实施例中，允许电流流动的开启将表示二进制高(逻辑“1”)电平信号，而在输入信号的任何周期内不存在电流脉冲表示逻辑“0”电平信号。更具体地，在一个优选实施例中，在负半周期期间内开启开关26a，以表示二进制“0”，而且关闭以表示二进制“1”。
电流读出器电路20检测出在输入信号的相应半周期期间的电流脉冲，并且相应地翻译这些电流脉冲。在刚刚提及的优选实施例中，将电流脉冲将翻译为逻辑1。因此，如果在输入到电源线16的信号的给定正半周期期间没有检测到电流脉冲，那么电流读出器电路20把不存在电流脉冲翻译为逻辑0电平信号。以这种方式，控制器28可以控制开关设备26a，以使通过电源线16产生一个表示储存在电子控制模块30中的信息的二进制数据流。该信息然后被发射给计算设备12，并储存在其中和/或显示在其的显示屏上。
应该意识到，虽然控制器28可以形成动力工具的一个现有组件，但是其仍然需要合适的编程代码，以便能够识别来自接口子系统中的命令信号。还需要合适的编程代码以在需要在电源线16上产生电流脉冲的模式下控制开关设备26a。
本发明的一个主要优点是不需要为了获取储存在电子控制模块30中储存的信息而通过拆卸动力工具18来接近控制模块。在接口子系统电路可用于下载存储在电子控制模块18中的信息之前，只需要将动力工具18连接到接口子系统12，并且将接口子系统连接到计算设备13。应该意识到，这就显著地简化并促进了储存在电子模块30中的信息的下载。还消除了在需要部分拆卸工具以进入安装在内部的控制模块时可能发生的动力工具18的其它内部组件或者它的外壳的意外损坏的可能性。由于在手动方式中拆卸动力工具外壳是信息搜集过程的一部分，因此与需要手动拆卸动力工具外壳相比，还显著降低了获得使用/操作数据所需要的时间。
本发明的另一重要优点是不需要将接口连接器(组)集成到外壳中以允许接口子系统12与控制器28通信。通过使用电源线16与控制器28通信，消除了在工具18的外壳上对独立的端口或者其它形式的接线盒的需要。这在设计外壳时实现了更大的灵活性，因此在配置工具18的控制时提供最大的灵活性。它还避免了当必须将独立的接口连接器集成到外壳中时会产生的额外的费用。
参见图3，示出了接口子系统12所生成的一个标准AC输入波形。在图3中该波形被记录为一个AC波形，应该意识到，它的频率高于美国使用的AC电源信号的标准60Hz频率。在一个优选实施例中，频率是100Hz。波形34包括当工具18处于通信模式时由在工具18内部的开关装置26a所生成的开关信号34a-34c。开关脉冲34a、34b和34c表示逻辑1电平信号。虚线34d表示开关脉冲不存在，表示一个逻辑0电平信号。应当指出脉冲34a-34c与输入的AC波形32的正半周期同步。波形36示出了由开关脉冲34产生的电流脉冲36a、36b和36c。共同地，三个脉冲36a-36c以及由虚线36d表示的脉冲不存在形成一个二进制数″1101″。应当指出由于马达26的电感(inductance)，所以电流脉冲36a、36b和36c在时间上相对于开关信号34a、34b和34c分别稍微偏移。
还应该意识到虽然在波形36中示出正脉冲，但是本发明并不局限为只使用正向进行(positive-going)的正弦脉冲。也可以使用诸如三角波或矩形波之类的其它形式的脉冲以及正向进行和反向进行的脉冲组合。
现在参见图4，示出了电流读出器电路20的一个优选形式。立即很快意识到图4所示的电气组件的数值只是为了示范目的而示出。
正如先前解释的，电流读出器电路20包含用于在图3的输入正弦波32的任何半周期期间检测是否存在电流脉冲的必要电路。通过使用与电源线42的低端(中性)相串联而放置的一个小分流电阻(shunt resistor)40来实现这一点，该电阻40通过插座22连接到动力工具18的电源线16。一个差动增益操作放大器(differential gain op-amp)44监控分流电阻40两端的电压。操作放大器44把电压放大到电流读出器电路20的剩余部分能够使用的电平。操作放大器44的输出然后传到比较器46，比较器46进行检查以查看电压是否超过分压器网络(voltage divider network)48设置的预置门限值。分压器网络48由电阻50和分压器52组成。
当在比较器46的输入54处的电压比输入56上的门限电压更高时，比较器46发送信号给微控制器58在那时存在一个电流。因此向微控制器58通知在那个给定瞬间呈现的电流脉冲，该电流脉冲并且也与输入正弦波32同步。微控制器58检测比较器46是否正在指示存在呈现输入正弦波32的正半波期间那个电流。必要时它还能够确定电流脉冲存在的时间长度。从此，微控制器58把它们发生时的脉冲记录在一个内存储器中。当通信结束时(即一旦已经接收到8比特)，则微控制器58以标准波特率并且以串行的方式发射8比特给数据记录装置13。应该意识到，电流读出器电路30可以读取信号，并与实际上任意的频率信号同步。同时，应该意识到，如图4所示的电气组件的数值只是示例性的。
还应该意识到，虽然已经通过结合使用交流信号来描述了系统10，但是还可以使用低功率直流信号来代替AC信号。控制器28可以被编程来把此″弱″直流电识别为一个指示，该指示指示出动力工具18将处于通信模式中。控制器28能因此脉冲地调节动力工具18的电源开关装置26a，以产生表示在电子模块30中的储存信息的编码脉冲序列(coded pulse train)。由于该弱的直流信号，可能包括一个可控硅整流器或者任何其它适当开关的电源开关装置26a从不关闭(latch)。可以很容易并且非常迅速地切换开关装置28a，因此允许高吞吐量。
通过使用连接到施加到电源线16上的AC信号的电容，可以形成通过电源线16发射信息的另一方法。参考图5，这种方法使小脉冲60a被重叠在输入到电源线16上的AC信号60上。接口子系统12监控脉冲60a，并在把数据发射到数据日志装置13之前按需要提取数据。
现在参考图6-8，通过结合使用来自接口子系统12的一个切换的矩形波、双极直流信号来描述本发明的一个附加的特定实施例。
接口单元发送与工具的起动通信每当需要与工具18通信时，利用初始无源电源操作模式(initiate passivepower mode)来启动该通信。在此模式中，接口子系统12只是对工具18供电，但是在工具和电子模块30之间并不发生实际的数据通信。参见图6，在一个优选实施例中，采用一个电压频率为100Hz、电压为+/-96瓦特并且波特率为4800波特的转换双极直流信号100来启动通信。在一个大约5、0毫秒的负电压之后，是一个呈现大约5、0毫秒的正电压。因此转换双极直流信号的占空因数(duty cycle)为50％。优选地，在能够与电子模块30开始通信之前，此模式至少保持大约100毫秒。这就确保建立并稳定了模块30内的电源供给。
电子模块标识和极性确定进一步参考图6，一旦电子模块30被加电，需要建立与电子模块的通信并确定模块与接口子系统12的连接极性。需要极性确定以确保无论模块30以何种方式连接到接口子系统12，斗总是能够产生通信。
识别过程包括从接口子系统12发送两个字符传输(td)到电子模块30，由波形100的部分100a表示；和接收一个二字符响应，由部分104表示。如果电子模块30在这个″正″极性识别通信中没有响应，则用一个″负″极性来重复这次通信，如波形100的部分106所示。由波形100的部分108来表示对″负″极性通信的响应。如果从任一识别通信(波形100的部分110)中都没有接收到响应，则接口子系统12断电电子模块30，并断定工具18没有连接到接口子系统12或者别的原因不能与接口子系统通信。然而，如果电子模块30已连接并且正确地起作用，则两个识别传输中的一个识别传输将确定电子模块30与哪一极性连接。从那时起，所有通信将借此通信极性实行。
操作的发射模式参见图7中的波形112，示出了″正″极性通信。经由电子模块30对工具18发射串行数据包括在发送的每个字符之间优选地以大约5.0毫秒电源刷新周期114连续地发送数据字节116。从上述识别过程中确定发射极性。如果需要的极性为正，则作为负电压发射逻辑0，而逻辑1(刷新周期相同)为正电压。部分118示出一个从电子模块30回到接口子系统12的响应。部分120示出在电子模块30和接口子系统12之间没有通信发生时的无源供电模式。
图8说明了经由波形122的″负″极性通信。如果需要的极性为负，则逻辑0被发射为正电压，而逻辑1(刷新周期相同)为负电压。这用数据字节124和刷新周期126说明。部分118表示从电子模块30发射回到接口子系统12的数据。
操作的接收模式在操作的接收模式中，接口子系统12接收来自电子模块30的串行数据(serial data)。紧随着最后一个传输(即停止比特)，接口子系统12预测来自电子模块30的接收数据。对于正极性，每个接收比特优选地包括图7中的一个5.6毫秒正电压施加130，跟着优选地一个大约0.4毫秒(即部分118)的负极性，在此，可以打开或者不打开电子开关26a。再一次参见图8，对于负极性，每个接收比特包括优选地一个5.6毫秒负电压施加(即脉冲)132，跟着一个0.4毫秒的正极性(部分134))，在此电子开关26a可以打开或者可以不打开。
在0.4毫秒可能的开关26a打开周期结束时电流被感测。大于100mA的开关26a电流对应于逻辑″0″。小于100mA的开关26a电流对应于逻辑″1″。接收模式继续下去，直到接口子系统接收到足够的数据比特以与电子模块30预测的匹配为止。一旦所有通信完成，则从接口子系统12中施加到工具上的输出电压被置为零。在图8中，部分136表示通信终止。
应该强调通过电源线16从电子模块30发射信息到系统10的每一个优选方法都包括施加一个非常低功率(或者预确定频率)的输入信号，控制器28将以不足以使马达26实际上开始开启的方式脉冲地调节开关设备26a。从而，可以通过电源线16下载来自电子模块30的信息，而不担心工具18在此过程期间开启。
本发明因此形成了一个方便的装置，用于以不需要对动力工具进行任何拆卸的方式而获取储存在置于动力工具内部的电子模块中的信息。以这种方式可以将关于工具的性能、特性、识别或者其它数据的各种有用信息/数据快速存取并记录在计算机或者其它数据记录装置上。
权利要求
1.一种用工具的电源线作为信号传导介质在动力工具和独立的子系统之间传送信息的系统，所述系统包括连接到所述电源线的独立的接口子系统，用于经由所述电源线向所述动力工具提供输入信号，在所述动力工具和所述接口子系统之间启动通信模式；与所述工具一起放置的控制器，用于识别所述输入信号并且进入操作通信模式；放置于所述工具内部的电子模块，用于存储与动力工具有关的操作信息，所述电子模块与所述控制器通信；其中所述控制器从所述电子模块获得所述操作信息并产生表示所述操作信息的周期性脉冲，以通过电源线与所述输入信号同步发射周期性脉冲；和其中所述接口系统解码所述周期性脉冲以获得所述操作信息。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述周期性脉冲包括电流脉冲；和其中所述独立的接口子系统包括电流读取子系统，用于读取所述周期性脉冲和解调所述周期性脉冲。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述接口子系统包括计算设备。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述输入信号包括频率大致为300Hz的交流AC输入信号。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述周期性脉冲包括直流DC输入信号。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述周期性脉冲电容性地连接到所述AC输入信号之上。
7.一种在动力工具和存储与所述工具有关的操作信息的存储模块之间传送信息的系统，其中所述动力工具具有电源线、内部马达、与所述电源线通信以用于接通和关闭所述马达的开关，所述系统包括连接到所述电源线的独立的接口子系统，用于经由所述电源线向所述动力工具提供输入信号，以在所述动力工具和所述接口子系统之间启动通信模式，所述输入信号频率大于60Hz并且幅值不足以使所述马达旋转；与所述工具一起放置的控制器，该控制器并且与所述开关操作地连接，所述控制器识别所述输入信号并且进入操作的通信模式，所述控制器与所述存储模块通信；其中所述控制器从所述电子模块中获得所述操作信息并产生表示所述操作信息的周期性脉冲，以通过电源线与所述输入信号同步将周期性脉冲发射回所述接口子系统；和其中所述接口系统解码所述周期性脉冲以获得所述操作信息。
8.根据权利要求8所述的系统，其中所述输入信号包括频率至少大约为300Hz的AC输入信号。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述周期性脉冲包括与所述AC输入信号频率同步的脉冲。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述周期性脉冲与所述AC输入信号的正向部分同步。
11.根据权利要求7所述的系统，其中所述周期性脉冲包括直流脉冲。
12.根据权利要求7所述的系统，其中所述周期性脉冲被电容地连接到所述输入信号上。
13.一种在动力工具和存储与所述工具有关的操作信息的存储模块之间传送信息的系统，其中所述动力工具具有电源线、内部马达、与所述电源线通信以用于接通和关闭所述马达的开关，所述系统包括连接到所述电源线的独立的接口子系统，用于经由所述电源线促进与所述动力工具的双向通信；所述独立的接口子系统通过施加一个频率大于60Hz并且幅值不足以使所述马达旋转的输入信号来启动所述动力工具和所述接口子系统之间的通信模式；和放置于所述工具外壳内部的控制器，用于识别所述输入信号，并且经由所述开关通过所述电源线将对应于所述储存的操作信息的信号脉冲发射回到所述接口子系统，以被所述接口子系统用于解码。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述信号脉冲与所述输入信号同步被发射。
15.根据权利要求所述13的系统，其中所述信号脉冲被电容地连接到所述输入信号上。
16.根据权利要求13所述的系统，其中所述信号脉冲是与所述输入信号同步被发射的直流脉冲。
17.根据权利要求13所述的系统，其中所述信号脉冲在所述输入信号的预确定部分期间被发射。
18.一种用于与具有内部放置的模块和控制器的动力工具双向传送信息的方法，所述方法包括a)通过所述工具的电源线从独立于所述动力工具的一个子系统施加输入信号，所述输入信号通知所述控制器进入操作的通信模式；b)使得所述输入信号频率高于60Hz并且功率不足以使得所述工具正常操作；c)使用所述控制器来接收所述输入信号，并开始通过所述电源线经由与所述输入信号同步生成的信号脉冲从所述模块中下载储存的信息；和d)解调所述信号脉冲以获得所述储存的信息。
19.根据权利要求18所述的方法，其中步骤c)包括使所述控制器生成与所述输入信号频率同步的脉冲。
20.根据权利要求19所述的方法，其中步骤b)包括使所述输入信号形成AC输入信号；和步骤c)包括使所述控制器生成在所述输入信号的正部分期间施加的脉冲；其中所述接口系统解码所述周期性脉冲以获得所述操作信息。
21.根据权利要求18所述的方法，其中步骤c)包括使用控制器来控制放置于所述工具的所述外壳内部的开关，以生成所述信号脉冲。
全文摘要
一种通过工具(18)的电源线(16)获得储存在动力工具(18)内部的电子模块(30)中的数据的装置(10)和方法，不需要拆卸所述工具(18)。接口子系统(12)施加一个高频、低功率AC输入信号给工具(18)的电源线(16)。工具(18)内部的控制器(28)识别此信号为指示出所述工具(18)处于通信模式中的指示。控制器(28)以将电流脉冲通过电源线(16)发射回到接口子系统(12)的方式调节用于打开和关闭工具(18)马达的电源开关设备。电流脉冲对应于储存在工具(18)的电子模块(30)中的工具(18)使用/性能/识别信息。该信息被接口子系统(12)的电流读出器电路翻译为二进制信息，然后将该信息发射给用于分析和/或记录的外部计算机(13)数据记录设备。
文档编号B25B23/14GK1682006SQ03822315
公开日2005年10月12日 申请日期2003年7月18日 优先权日2002年7月18日
发明者布赖恩·R·克劳威尔 申请人:布莱克和戴克公司