专利名称：一种兼容sdi-12协议的振弦式传感器适配器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及数据采集和传感测量技术领域，更具体地，涉及一种兼容SD1-12协议的振弦式传感器适配器。
背景技术：
目前，大多数数据采集监测站(单元)都要求有多要素采集的功能，以满足系统多功能监测的要求，而数据采集监测站(单元)的要素采集点往往不在同一地点、接口标准不一，在电源、体积、接口和其他条件约束的情况下，需要用总线将多个要素采集器集成到数据采集器中，而SD1-12通讯协议可满足这方面的要求。SD1-12通讯协议是近年来国内外在环境监测、水利水文、气象监测中广泛使用的一种串行数据通讯接口协议，它是一种适用于微功耗、智能、分布式、多地址传感器系统的总线协议。在该协议支持下，只要通过一根三芯电缆，即可把一台数据采集器与多个现场传感器联系起来，且具有远距离传送，全天候防护和低成本、微功耗的优点。振弦式传感器具有结构简单、性能稳定、抗干扰能力强、零点漂移小、坚固耐用、工作温度宽且无源等优点，非常适宜在于环境恶劣、无人值守场合下应用，故在水利水文和大坝安全检测系统中越来越受到广泛的应用。因此，现有技术中存在以下方面的需求，即在环境恶劣、无人值守场合下通过使用SD1-12协议将多个振弦式传感器集成到一个数据采集单元中，以满足系统多功能监测的要求。而为了满足此种需求，如何将现有的振弦式传感器与SD1-12协议二者快速有效结合，发挥各自优点且适应于环境恶劣无人值守的工作环境，是目前需要解决的问题。
实用新型内容针对现有技术的上述不足和实际需求，本实用新型提供了一种兼容SD1-12协议并且具有微功耗、高准确度、小体积、工作可靠、工作温度宽等优点的振弦式传感器适配器，解决了上述二者快速有效结合的问题。本实用新型所述的振弦式传感器适配器，其特征在于，包括SD1-12接口单元、微处理器单元、扫频激振单元、测频单元、测温单元；所述SD1-12接口单元用于与数据采集器之间的双向通信；所述扫频激振单元用于对振弦式传感器进行激振；所述测频单元用于测量振弦式传感器的振动频率信号；所述测温单元用于测量振弦式传感器温度以实现温度补偿；所述微处理器单元用于解析数据采集器的命令而执行响应，以及采集和处理所述振动频率信号。优选地，所述振弦式传感器适配器还包括电源管理模块。进一步优选地，所述振弦式传感器适配器还包括功率控制电路。优选地，所述测频单元包括偏置电路和电桥交流差分耦合电路。进一步优选地，所述偏置电路直接耦合所述振弦式传感器。所述电桥交流差分耦合电路包括两路差分放大器。[0010]优选地，所述扫频激振单元具有PMOS管激励驱动模块，用于通过调节PMOS管的导通频率来输出所述激励信号。本实用新型采用的偏置电路，将振弦式传感器作为电路整体的一部分加以考虑，由此实现了直接耦合技术，高效地拾取了振弦式传感器信号能量；由于用了 PMOS管激励驱动，输入阻抗高，有效地消除了负载效应对振弦式传感器信号的影响，为多重测量提供了保证基础，易于实现多重测量；电桥交流差分耦合电路有效地控制和消除了直流工作点的漂移与放大器放大增益大的矛盾，实现了满足了适配器在_40°C 60°C工作的需求；由于使用CMOS器件、采用逻辑唤醒技术、采用功率控制电路和SD1-12通信规约，实现了微功率；所用元器件均为工业级通用器件，电路多采用直接耦合、差分和电桥技术，电路所用器件少且无可调部分，故易于实现且工作稳定可靠。综上所述，该适配器具有体积小、功耗低、起振快、振幅大、测量准确度高、工作温度范围宽、且工作稳定的特点，解决了振弦式传感器和与SD1-12接口采集器的兼容转换功倉泛。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细的说明:
图1是本实用新型实施例的结构示意图。1、振弦式传感器；21、SD1-12接口单元；22、微处理器单元；23、扫频激振单元；24、测频单元；25、测温单元；26、电源管理模块；3、数据采集器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型的技术方案，并使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例及实施例附图对本实用新型作进一步详细的说明。图1是本实用新型实施例的结构示意图。本实用新型所述的振弦式传感器适配器2连接于振弦式传感器I和数据采集器3之间，其作用是在数据采集器3的指令下激励振弦式传感器1，并拾取振弦式传感器I的谐振信号，然后通过SD1-12通信协议与数据采集器3完成信息交换，实现了振弦式传感器I与SDI — 12协议的兼容。所述振弦式传感器适配器2包括SD1-12接口单元21、微处理器单元22、扫频激振单元23、测频单元24、测温单元25及电源管理模块26。所述SD1-12接口单元21用于与数据采集器3之间的双向通信，通信基于SD1- 12协议，适用于多种自然环境，保证了通信可靠性和较低功耗。所述扫频激振单元23用于对振弦式传感器I进行激振，扫频激振单元23具有PMOS管激励驱动模块，用于通过调节PMOS管的导通频率来输出所述激励信号；所述测频单元24用于测量振弦式传感器I的振动频率信号，该测频单元24包括偏置电路和电桥交流差分耦合电路，该偏置电路将振弦式传感器、运算放大器作为一个整体考虑，实现了高阻抗下的振弦式传感器电信号的直接耦合，减少了信号耦合损失和振弦式传感器信号负载效应，使信号采样时间达到数百毫秒之多；电桥交流差分耦合电路包括两路差分放大器，通过两路差分放大器同步提供等同直流偏置的同时，消除了高放大倍数直流放大器的直流工作点漂移和累积，并同时实现了交流信号的直接差分耦合。所述测温单元25用于测量振弦式传感器I的温度以实现温度补偿；所述微处理器单元22用于解析数据采集器3的命令而执行响应，控制所述扫频激振单元23的激振过程，以及根据测频单元24和测温单元25反馈的信号来采集和处理所述振动频率信号。电源管理模块26作为功率控制器件，为SD1-12接口单元21和微处理器单元22提供电源。所述振弦式传感器适配器2还具有功率控制电路，该电路是为实现微功耗而采取的一种控制措施，根据微处理器单元22接收到的命令让扫频激振单元23、测频单元24、测温单元25在工作状态和待机状态间自动切换，实现待机状态下适配器电流消耗小于25uA，从而大大节约了所消耗的功率，实现了微功耗的适配器。该适配器其工作原理为:通过SD1-12接口单元21响应数据采集器3的命令，微处理器单元22解析命令并做出响应，需要采集数据时，在微处理器单元22的控制下，扫频激振单元23先输出一组在较宽频率范围上连续变化的频率信号作为激励信号，去预激振振弦传感器I的激振线圈，由特定的偏置电路、差分电路和功率控制电路组成的测频单元24将感应到振动频率信号中衰减振荡的正弦波转化为可供微处理器单元22采集的方波频率信号，由微处理器单元22进行分析；在微处理器单元22的控制下，把预激振反馈回来的振动频率作为复激振的输出频率，扫频激振单元23以该输出频率为中心再次激振振弦传感器的激振线圈，由于复激振频率和振弦式传感器的钢弦共振频率非常接近，钢弦在很短时间内达到共振状态，振幅大且衰减慢，可以有效提高测量准确度，测频单元24感应振弦式传感器I在谐振状态下输出的振动频率信号，作为测量结果提供给微处理器单元22 ;测温单元25负责测量振弦式传感器I的温度，从而提供给微处理器单元22实现温度的补偿；微处理器单元22基于测频单元24和测温单元25的信号对测量结果数据进行必要的处理之后，通过SD1-12接口单元21以符合SDI — 12协议的格式向数据采集器3传输测量结果数据。本实用新型的主要优点包括:该适配器采用了特定的偏置电路，将振弦式传感器作为电路整体的一部分加以考虑；该适配器采用了直接耦合技术，高效地拾取了振弦式传感器信号能量；该适配器采用了 PMOS管激励驱动，输入阻抗高，有效地消除了负载效应对振弦式传感器信号的影响；该适配器采用了差分方法和电桥技术，有效地控制和消除了直流工作点的漂移与放大器放大增益大的矛盾；该适配器采用了多重采样技术，取样N > 80，示值为算数平均值，标准不确定度小；该适配器采用了 CMOS器件和逻辑唤醒技术，大大节省所耗功率；该适配器采用了功率控制电路和SD1-12通信规约，实现了微功率；该适配器所用元器件均为工业级通用器件，电路无需调整，工作温度范围宽(_40°C 60°C)且易于实现；该装置结构简单、所用元器件少、工作稳定可靠，连续无故障工作(MTBF)>100000小时。可见，该适配器具有体积小、功耗低、起振快、振幅大、测量准确度高、工作温度范围宽、且工作稳定的特点，解决了振弦式传感器和与SD1-12接口采集器的兼容转换功能。以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式
，本实用新型还可以应用在其它设备中；以上描述中的尺寸和数量均仅为参考性的，本领域技术人员可根据实际需要选择适当的应用尺寸，而不脱离本实用新型的范围。本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
权利要求1.一种振弦式传感器适配器，其特征在于，包括SD1-12接口单元、微处理器单元、扫频激振单元、测频单元、测温单元；所述SD1-12接口单元用于与数据采集器之间的双向通信；所述扫频激振单元用于对振弦式传感器进行激振；所述测频单元用于测量振弦式传感器的振动频率信号；所述测温单元用于测量振弦式传感器温度以实现温度补偿；所述微处理器单元用于解析数据采集器的命令而执行响应，以及采集和处理所述振动频率信号。
2.根据权利要求1所述的适配器，其特征在于，所述振弦式传感器适配器还包括电源管理模块。
3.根据权利要求2所述的适配器，其特征在于，所述振弦式传感器适配器还包括功率控制电路。
4.根据权利要求1所述的适配器，其特征在于，所述测频单元包括偏置电路和电桥交流差分耦合电路。
5.根据权利要求4所述的适配器，其特征在于，所述偏置电路直接耦合所述振弦式传感器。
6.根据权利要求4所述的适配器，其特征在于，所述电桥交流差分耦合电路包括两路差分放大器。
7.根据权利要求1所述的适配器，其特征在于，所述扫频激振单元具有PMOS管激励驱动模块。
专利摘要本实用新型提供了一种兼容SDI-12协议的振弦式传感器适配器，包括SDI-12接口单元、微处理器单元、扫频激振单元、测频单元、测温单元；所述SDI-12接口单元用于与数据采集器之间的双向通信；所述扫频激振单元用于对振弦式传感器进行激振；所述测频单元用于测量振弦式传感器的振动频率信号；所述测温单元用于测量振弦式传感器温度以实现温度补偿；所述微处理器单元用于解析数据采集器的命令而执行响应，以及采集和处理所述振动频率信号。该适配器具有体积小、功耗低、起振快、振幅大、测量准确度高、工作温度范围宽、且工作稳定的特点,解决了振弦式传感器和与SDI-12接口采集器的兼容转换功能。
文档编号H04L29/06GK203053474SQ20122062505
公开日2013年7月10日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者李延军, 程序, 高岚, 刘舒 申请人:国网电力科学研究院, 南京南瑞集团公司, 国家电网公司