一种长时间值守装置和方法与流程

1.本发明属于电能源管控技术领域，具体涉及一种长时间值守装置和方法。


背景技术：

2.现阶段各个国家都加大海洋领域的探索，我国奋斗者号已经多次刷新 10000m以下的下潜深度记录，我国海上钻井平台目前同样达到世界领先水平，从科研、工业、军事态势看，我国逐渐向深水、远距离海洋勘探的发展，由于在深水、远距离场景下航行器往返时间长、操作费事费力，迫切需要可在水下长时间值守的设备进行水下勘察，在探测时需要周期性的对值守设备进行唤醒通信，需要尽可能的长时间在水下工作，对水下值守设备可靠性要求非常高，对水下值守设备的低功耗值守、能量管控要求特别严苛，现有技术中还没有出现满足要求的长达数年之久的值守装置。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种长时间值守装置和方法。本发明方案能够解决上述现有技术中存在的问题。
4.本发明的技术解决方案：
5.根据第一方面，提供一种长时间值守装置，包括独立电池、dcdc模块、主芯片、定时器、唤醒单元和自维持唤醒单元，所述的独立电池与所述的定时器、唤醒单元和自维持唤醒单元连接，所述的定时器分别与所述的主芯片、dcdc模块连接，按照预先设定的中断间隔给所述的主芯片和dcdc模块发送高电平唤醒信号；所述的dcdc模块为带使能信号控制的电源模块，所述的dcdc模块一端与所述的唤醒单元、定时器、自维持唤醒单元连接，另一端与所述的主芯片连接，所述的唤醒单元和自维持唤醒单元获得外部给与的唤醒信号后，产生高电平信号传送给所述的dcdc模块，所述的dcdc模块产生使能信号，唤醒所述的 dcdc模块为所述的主芯片供电；所述的主芯片一端与所述的dcdc模块相连，另一端与所述的定时器、唤醒单元和自维持唤醒单元相连，所述的主芯片在接收到所述dcdc模块的供电后，接收所述定时器和唤醒单元的高电平唤醒信号，并产生io高电平信号，传送给自维持唤醒单元和外部继电器模块，从而实现对外部设备的控制；所述的自维持唤醒单元在接收到所述主芯片的io高电平信号的输出后，输出高电平唤醒信号，输入到所述dcdc模块和所述的主芯片中。
6.进一步的，所述的唤醒单元包括io唤醒模块、无线唤醒模块和can唤醒模块。
7.进一步的，所述的无线唤醒模块包括电源转换组件、唤醒组件和状态机，所述的电源转换组件将独立电池的电压转换为所述唤醒组件和状态机所需的电压，给其供电，所述的唤醒组件有两个状态：接收和休眠，所述的状态机对所述的唤醒组件的状态进行控制。
8.优选的，所述的无线唤醒模块还包括无线通信组件，所述的无线通信组件完成所述主芯片与其他设备之间的无线通信。
9.进一步的，所述的can唤醒模块包括电源转换部分、唤醒部分和通信部分，所述的唤醒部分由独立电源供电，在接收到can唤醒信号时向所述的主芯片发送高电平，所述的电
源转换部分将所述dcdc模块的电压转换为所述通信部分使用的电压，所述通信部分完成所述主芯片与其他设备之间的can通信。
10.进一步的，所述的定时器包括定时模块和超级电容/可充电电池模块，所述的超级电容/可充电电池模块在外部供电的情况下充电，在没有外部供电的情况下为所述的定时模块供电；所述的定时模块根据所述主芯片的设定，在外部供电断开后，周期性的提供高电平信号给所述的主芯片和所述的dcdc模块。
11.进一步的，所述的定时器、无线唤醒模块、can唤醒模块和自维持唤醒模块在唤醒后，执行完毕任务后，通过所述主芯片配置所述定时器、无线唤醒模块、 can唤醒模块和自维持唤醒模块再次进入断电休眠。
12.进一步的，所述的唤醒单元与所述主芯片的连接之间、所述的自维持唤醒单元与所述主芯片的连接之间以及所述的定时器与所述主芯片的连接之间分别串联10k电阻。
13.进一步的，所述的唤醒单元和自维持唤醒单元与所述的dcdc模块连接之间串联磁保持继电器。
14.进一步的，所述的自维持唤醒单元在所述主芯片供电的情况下，由所述的主芯片控制输出高电平，此高电平输入所述的主芯片和所述的dcdc模块，当主芯片断电或主芯片输出为低电平时，所述的自维持唤醒单元输出低电平信号关闭所述的dcdc模块。
15.优选的，所述的主芯片、定时器、唤醒单元和自维持唤醒单元在没有输出高电平信号时，输出低电平信号。
16.根据第二方面，提供上述一种长时间值守方法，包括以下步骤：
17.步骤一，有唤醒信号时，主芯片工作，检测唤醒信号的来源，若为定时器唤醒，则转到步骤二，若不是定时器唤醒，则转到步骤五；
18.步骤二，自维持唤醒单元工作并记录时间是否为定时器的周期性唤醒时间，若是，则转到步骤三，如不是则转到步骤四；
19.步骤三，根据预先装订的自检程序对系统进行自检，直到自检结束；
20.步骤四，主芯片断电，自维持唤醒单元将整个值守装置断电，重新休眠，此次唤醒程序完成；
21.步骤五，判断唤醒信号是否与预定的唤醒信号一致，若一致，则转入步骤六，若不一致则转入步骤四；
22.步骤六，执行唤醒后的预定任务，任务执行完毕后，转到步骤四。
23.进一步的，一种长时间值守方法，包括以下步骤：
24.步骤一，有唤醒信号时，主芯片工作，检测唤醒信号的来源，若为定时器唤醒，则转到步骤二，若不是定时器唤醒，则转到步骤五；
25.步骤二，自维持唤醒单元工作并记录时间是否为定时器的周期性唤醒时间，若是，则转到步骤三，如不是则转到步骤四；
26.步骤三，根据预先装订的自检程序对系统进行自检，直到自检结束；
27.步骤四，主芯片断电，自维持唤醒单元将整个值守装置断电，重新休眠，判断休眠是否成功，若成功，此次唤醒程序完成，若不成功，则转到步骤五；
28.步骤五，设置定时器故障，并断开其与dcdc模块的连接，主芯片断电，自维持唤醒单元将整个值守装置断电，重新休眠；
29.步骤六，判断唤醒信号是否与预定的唤醒信号一致，若一致，则转入步骤八，若不一致，则转入步骤七，
30.步骤七，主芯片断电，自维持唤醒单元将整个值守装置断电，重新休眠，判断休眠后唤醒信号是否消失，若是，则进行休眠，若否，则设置对应唤醒单元故障，并断开其与dcdc模块的连接后，进形休眠；
31.步骤八，执行唤醒后的预定任务，任务执行完毕后，主芯片断电，自维持唤醒单元将整个值守装置断电，重新休眠。
32.本发明与现有技术相比的有益效果：
33.(1)本发明通过不同唤醒方式的设置和选择，通过在值守时期将主芯片断电，在唤醒后主芯片通电的方式，延长长期值守装置的值守时间，可达数年之久；
34.(2)本发明通过磁保持继电器的设置，在低耗电的情况下，实现对唤醒方式的选择和对有问题唤醒模块的物理断开，提高了长时间值守装置的安全性和可靠性。
附图说明
35.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1示出了根据本发明实施例提供的一种长时间值守装置结构示意图；
37.图2示出了根据本发明实施例提供的一种长时间值守方法步骤示意图；
38.图3示出了根据本发明具体实施例提供的一种长时间值守方法步骤示意图；
39.图4示出了根据本发明实施例提供的一种长时间值守装置应用场景示意图。
具体实施方式
40.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
42.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而
不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
43.如图1所示，根据本发明第一方面实施例，提供一种长时间值守装置，包括独立电池、dcdc模块、主芯片、定时器、唤醒单元和自维持唤醒单元，独立电池与定时器、唤醒单元和自维持唤醒单元连接，给各个单元供电；定时器分别与主芯片、dcdc模块连接，按照预先设定的中断间隔给主芯片和dcdc模块发送高电平唤醒信号；dcdc模块为带使能信号控制的电源模块，dcdc模块一端与唤醒单元、定时器、自维持唤醒单元连接，另一端与主芯片连接，唤醒单元和自维持唤醒单元获得外部给与的唤醒信号后，产生高电平信号传送给dcdc模块， dcdc模块产生使能信号，唤醒dcdc模块为主芯片供电；主芯片一端与dcdc模块相连，另一端与定时器、唤醒单元、自维持唤醒单元和外部继电器模块相连，主芯片在接收到dcdc模块的供电后，接收定时器和唤醒单元的高电平唤醒信号，并产生io高电平信号，传送给自维持唤醒单元和外部继电器模块，从而实现对外部设备的控制；自维持唤醒单元在接收到所述主芯片的io高电平信号的输出后，输出高电平唤醒信号，输入到dcdc模块和主芯片中。
44.进一步的在一个实施例中，唤醒单元包括io唤醒模块、无线唤醒模块和can 唤醒模块，在不同的情况下可以采用不同的唤醒模块进行唤醒，并且在一种唤醒方式失败后，可采用其他唤醒方式进行唤醒，提高了系统的安全性。
45.进一步的在一个实施例中，无线唤醒模块包括电源转换组件、唤醒组件和状态机，电源转换组件将独立电池的电压转换为唤醒组件和状态机所需的电压，给其供电，优选的在一个实施例中，电池转换组件为前级低静态损耗的dcdc电源模块。唤醒组件有两个状态：接收和休眠，状态机对唤醒组件的状态进行控制。优选的在一个实施例中，外没有外部无线电磁波信号时，无线唤醒模块内部周期的进行接收和休眠两种状态切换，此过程无线模块一直输出io低电平。当外部有匹配频率、带宽、调制方式的无线电磁波时无线唤醒模块在接收状态时可接收到数据并输出io高电平，无线唤醒模块输出的io电平到主芯片和dcdc 模块的使能引脚。因为无线唤醒模块在接收状态时耗能大，但只有在接收状态时才能接收到外部的无线唤醒信号，所以在确定接收状态和休眠状态的时间和比值时，根据具体的情况而定，需要耗能少且对唤醒时间的精确度要求不高，可增加休眠状态所占的比例。在本实施例中，接收时间和休眠时间的比值为1： 6。优选的，其中给主芯片的信号需要串联10k电阻以保证在主芯片没有供电情况下能够使能dcdc模块。由于集成无线唤醒模块，在水中可实现非连接唤醒通信，规避了水密、插拔动作等问题。
46.优选的在一个实施例中，无线唤醒模块还包括无线通信组件，无线通信组件完成主芯片与其他设备之间的无线通信。一般的，采用无线通讯的设备为航行器外的设备。在本实施例中，无线通信组件实现主芯片与监控器的无线通信。
47.进一步的在一个实施中，can唤醒模块包括电源转换部分、唤醒部分和通信部分，唤醒部分由独立电源供电，在接收到can唤醒信号时向主芯片发送高电平，电源转换部分将dcdc模块的电压转换为通信部分使用的电压，在本实施例中，电源转换部分有两组，一组将dcdc模块的电压转换为5v电压供5v通信部分使用，一组将5v的电压继续为3.3v电压供3.3v通信部分使用。通信部分完成主芯片与其他设备之间的can通信，在本实施例中，can通信实现航行器内部设备与主芯片的通信。
48.进一步的在一个实施例中，定时器包括定时模块和超级电容/可充电电池模块，超级电容/可充电电池模块在外部供电的情况下充电，在没有外部供电的情况下为定时模块供电；定时模块根据主芯片的设定，在外部供电断开后，周期性的提供高电平信号给主芯片和dcdc模块。优选的再一个实施例中，周期性的时间的选择根据需要对系统进行自检的时间确定，在本实施例中为500小时。
49.进一步的在一个实施例中，定时器、无线唤醒模块、can唤醒模块和自维持唤醒模块在唤醒后，执行完毕任务后，通过主芯片配置定时器、无线唤醒模块、 can唤醒模块和自维持唤醒模块再次进入断电休眠。
50.进一步的在一个实施例中，唤醒单元与主芯片的连接之间、自维持唤醒单元与主芯片的连接之间以及定时器与主芯片的连接之间分别串联10k电阻，以保证在主芯片没有供电情况下能够使能dcdc。
51.进一步的在一个实施例中，唤醒单元、自维持唤醒单元和定时器与dcdc模块连接之间串联磁保持继电器。dcdc模块的使能信号由不同唤醒信号通过磁保持继电器进行选通，可根据实际需要或者在发生异常情况时由主芯片进行控制，将发生异常的通路断开，由于磁保持继电器在没有供电的情况下仍然可以维持磁保持继电器关闭后开关的断开状态，可满足低功耗功能要求。
52.进一步的在一个实施例中，自维持唤醒单元在主芯片供电的情况下，由主芯片控制输出高电平，此高电平输入主芯片和dcdc模块，当主芯片断电或主芯片输出为低电平时，自维持唤醒单元输出低电平信号关闭dcdc模块，从而完成整个系统的断电。通过自维持唤醒单元，实现主芯片在没有外部唤醒的时候，通过定时器发送的唤醒信号，唤醒主芯片和dcdc模块，并进行值守装置的自检，从而获得值守装置的情况，提高值守装置的可靠性。
53.进一步的在一个实施例中，主芯片一端与dcdc模块相连，另一端与定时器、唤醒单元、自维持唤醒单元和外部继电器模块相连，主芯片在接收到dcdc模块的供电后，接收定时器和唤醒单元的高电平唤醒信号，并产生io高电平信号，传送给自维持唤醒单元和外部继电器模块，从而实现对外部设备的控制。主芯片在任意信号源唤醒后首先进行信号源判断，然后初始化所有模块状态并进行功能诊断，诊断接口可通过无线、can总线传输到负载中的核心设备，然后根据判断执行预先设定的工作内容。本发明中，在低功耗状态下，最为复杂的主控芯片处于断电状态，长时间运行程序不会出现跑飞的情况提高了整个系统的安全性和可靠性，在主线被唤醒后可进行唤醒信号监控以及通信信号复合校验进行相关能源管控动作的执行。
54.优选的在一个实施例中，值守装置与连接的设备可通过外部继电器模块控制给各个设备供电，并且可扩展隔离的rs422、网口、1553b等总线与设备进行完全的隔离通信，可保证装备其他电子电气系统完全的电气隔离通信，增加emc 抗干扰能力。
55.根据第二方面实施例，如图2所示，提供上述一种长时间值守方法，包括以下步骤：
56.步骤一，有唤醒信号时，主芯片工作，检测唤醒信号的来源，若为定时器唤醒，则转到步骤二，若不是定时器唤醒，则转到步骤五；
57.步骤二，自维持唤醒单元工作并记录时间是否为定时器的周期性唤醒时间，若是，则转到步骤三，如不是则转到步骤四；
58.步骤三，根据预先装订的自检程序对系统进行自检，直到自检结束；
59.步骤四，主芯片断电，自维持唤醒单元将整个值守装置断电，重新休眠，此次唤醒程序完成；通过以上步骤完成在没有外部唤醒信号时，周期性对系统进行自检，在保证低能耗的同时，周期性确定系统是否正常运行。
60.步骤五，判断唤醒信号是否与预定的唤醒信号一致，若一致，则转入步骤六，若不一致则转入步骤四；
61.步骤六，执行唤醒后的预定任务，任务执行完毕后，转到步骤四。通过步骤五和步骤六，完成了当有外界唤醒信号时，完成预定任务的任务后，在此休眠，减小了耗能，便于完成长时间值守和下一次任务的执行。
62.进一步的在一个实施例中，如图3所示，唤醒单元、自维持唤醒单元和定时器与dcdc模块连接之间串联磁保持继电器，一种长时间值守方法，包括以下步骤：
63.步骤一，有唤醒信号时，主芯片工作，检测唤醒信号的来源，若为定时器唤醒，则转到步骤二，若不是定时器唤醒，则转到步骤五；
64.步骤二，自维持唤醒单元工作并记录时间是否为定时器的周期性唤醒时间，若是，则转到步骤三，如不是则转到步骤四；
65.步骤三，根据预先装订的自检程序对系统进行自检，直到自检结束；
66.步骤四，主芯片断电，自维持唤醒单元将整个值守装置断电，重新休眠，判断休眠是否成功，若成功，此次唤醒程序完成，若不成功，则转到步骤五；
67.步骤五，设置定时器故障，并断开其与dcdc模块的连接，主芯片断电，自维持唤醒单元将整个值守装置断电，重新休眠；
68.步骤六，判断唤醒信号是否与预定的唤醒信号一致，若一致，则转入步骤八，若不一致，则转入步骤七，
69.步骤七，主芯片断电，自维持唤醒单元将整个值守装置断电，重新休眠，判断休眠后唤醒信号是否消失，若是，则进行休眠，若否，则设置对应唤醒单元故障，并断开其与dcdc模块的连接后，进行休眠；
70.步骤八，执行唤醒后的预定任务，任务执行完毕后，主芯片断电，自维持唤醒单元将整个值守装置断电，重新休眠。
71.通过以上的方法，在达到低耗能长时间值守的同时，完成对值守装置的检测，并将发生故障的单元断开连接，从而提高值守装置的安全性和可靠性，并且及时断开发生故障的单元可以进一步的降低耗能，延长值守的时间。
72.在一个具体的实施例中，如图4所示，在独立电源采用24v电源平台的情况下，可以实现10mw的低功耗性能，长达6年的长时间值守。
73.综上，本发明提供的一种长时间值守装置和方法，相比于现有技术至少具有以下优势：
74.(1)本发明通过不同唤醒方式的设置和选择，通过在值守时期将主芯片断电，在唤醒后主芯片通电的方式，延长长期值守装置的值守时间，可达数年之久；
75.(2)本发明通过磁保持继电器的设置，在低耗电的情况下，实现对唤醒方式的选择和对有问题唤醒模块的物理断开，提高了长时间值守装置的安全性和可靠性；
76.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特
征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位 (旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
77.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
78.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。