CN105571690B - 数字称重传感器及传感器网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字称重传感器，包括：测力元件、电源激励模块、信号检测模块、微处理器、通信模块、线路电流控制模块、组态控制模块。该信号检测模块可被一第一组态控制信息配置为使用对应的检测模式进行信号转换。处理器可被一第二组态控制信息配置为使用相应的一个或多个内核或者处理器来运行。通信模块可被一第三组态控制信息配置为使用相应的通信协议、终端匹配和阻抗控制来进行通信。线路电流控制模块可根据一第四组态控制信息配置该电源激励模块、该信号检测模块、该微处理器和该通信模块的通断、电压值和电流值。组态控制模块根据选定的工作模式发出该第一至第四组态控制信息。本发明还提出一种基于多组态技术的数字称重传感器智能网络。

Description

数字称重传感器及传感器网络

技术领域

本发明涉及一种称重系统，尤其是涉及数字称重传感器和传感器网络。

背景技术

在现代化的工业生产流程中，由称重系统提供的重量信息是关键的信息来源和控制目标。随着数字化和信息化技术的发展，传统的称重系统已经开始进入数字化称重系统时代。具体来说，在传感器中内置具备高精度模数转换功能和数字处理能力的电路，将传感器的受载力信息转化成数字信号。一只或多只数字称重传感器通过有线或者无线等通信方式，与仪表、工控机等终端设备进行数据和指令的交互，共同构成称重通信拓扑网络。数字称重传感器将格式化后的称重数据发往仪表、工控机等终端设备，进行最终处理和显示。

数字称重传感器在称重系统领域中得到越来越广泛的应用，传感器节点的数字化、智能化和网络化给客户带来更多便利。随着数字称重传感器功能的增强，客户需求多样性的增多，称重系统过程及工况复杂性的增大。现有的数字称重传感器与由其构成的称重系统网络工作模式单一，无法适应多种配置模式的智能切换。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于多组态技术的数字称重传感器智能网络。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种数字称重传感器，包括：测力元件，检测该传感器的加载力并转换为电信号；电源激励模块，连接该测力元件，提供对该测力元件的激励电压；信号检测模块，连接该测力元件，将该电信号转换为第一数字信号，该信号检测模块被一第一组态控制信息配置为使用对应的检测模式进行所述转换；微处理器，连接该信号检测模块以接收该第一数字信号，该处理器被一第二组态控制信息配置为使用相应的一个或多个内核或者处理器来运行；通信模块，连接该微处理器，该通信模块被一第三组态控制信息配置为使用相应的通信协议、终端匹配和阻抗控制来进行通信；线路电流控制模块，根据一第四组态控制信息配置该电源激励模块、该信号检测模块、该微处理器和该通信模块的通断、电压值和电流值；以及组态控制模块，连接该信号检测模块、该微处理器、该通信模块和该线路电流控制模块，根据选定的工作模式发出第一至第四组态控制信息。

在本发明的一实施例中，数字称重传感器还包括诊断分析模块，连接该测力元件，将该电信号转换为反映传感器状态信息的第二数字信号，并传输给该微处理器，其中该组态控制模块还根据称重运行模式或诊断分析模式配置该信号检测模块和该诊断分析模块。

在本发明的一实施例中，该信号检测模块的检测模式包括高精度检测模式、高响应检测模式和抗扰检测模式。

在本发明的一实施例中，该线路电流控制模块能够根据该第四组态控制信息配置、控制和实时检测该电源激励模块、该信号检测模块、该微处理器和该通讯模块的通断、电压值和电流值。

在本发明的一实施例中，数字称重传感器还包括预设功能控制模块，连接该组态控制模块，被一第五组态控制信息配置以使该传感器工作于预设功能模式。

在本发明的一实施例中，该组态控制模块是在一通信配置模式及一通信编址模式下配置该通信模块。

在本发明的一实施例中，该信号检测模块包括高精度检测模块、高响应检测模块和抗扰检测模块，分别在对应的检测模式下工作。

本发明还提出一种数字称重传感器网络，包括多个如上所述的数字称重传感器。

本发明由于采用以上技术方案，数字称重传感器结合智能控制技术和控制逻辑，进行多组态技术的设计，并进行工作模式的实时配置，使其能够实现特定的功能应用、控制过程。并且当数字称重传感器组成网络时，也能选择特定的组网形式。因此相比传统的数字称重传感器，本发明具有更为灵活和多样的工作模式。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1示出本发明一实施例的组态化数字称重传感器电路框图。

图2示出本发明一实施例的组态化称重仪表电路框图。

图3示出本发明一实施例的组态化的通信连接装置示意图。

图4示出本发明一实施例的组态化称重系统功能模式切换图。

图5示出本发明一实施例的组态化的数字称重传感器网络拓扑图。

图6示出本发明另一实施例的组态化的数字称重传感器网络拓扑图。

具体实施方式

图1示出本发明一实施例的组态化数字称重传感器电路框图。参考图1所示，数字称重传感器100包括测力元件101、电源激励模块110、信号检测模块120、诊断分析模块130、微处理器140、通信模块150、线路电流控制模块160、组态控制模块170以及预设功能模块180。

测力元件101可以检测传感器的受载力并转换为电信号。电源激励模块110连接测力元件101，用来提供对测力元件的激励电压。测力元件101的典型例子是电阻式应变片。电阻式应变片依据惠斯通电桥原理与感温元件Ni/Pt电阻连接，在电源激励模块110的激励电压V_e+/I_e+和V_e-/I_e-的作用下，将加载力转换为电信号V_BGP，V_BGN，V_SP，V_SN。

信号检测模块120连接测力元件101，将各电信号转换为第一数字信号。例如，电信号V_BGP，V_BGN，V_SP，V_SN会被转换成相应的数字信号。信号检测模块120可以有不同的检测模式来进行前述的转换，例如高精度检测模式、高响应检测模式和抗扰检测模式。信号检测模块120可以被来自组态控制模块160的第一组态控制信息配置，以加载所需的检测模式。在本实施例中，信号检测模块120被实施为包括高精度检测模块121、高响应检测模块122和抗扰检测模块123，分别在对应的检测模式下工作。信号检测模块120可在第一组态控制信息的配置下，切换这些模块。在另一实施例中，信号检测模块120可以由整合的模块来运行这3种检测模式。

诊断分析模块130连接测力元件101，将电信号转换为反映传感器状态信息的第二数字信号。例如，电信号V_BGP，V_BGN，V_SP，V_SN通过诊断分析模块130，转换为反映传感器状态信息的数字信号。

信号检测模块120和诊断分析模块130通常地择一进行工作，这可在传感器的不同工作模式，例如称重运行模式或诊断分析模式下来进行配置。可以理解，诊断分析模块130并不是必须的，设计者可以根据功能需要增加或者省略这一模块和相应的工作模式。

微处理器140连接信号检测模块120以接收前述的第一数字信号。微处理器140也连接信号检测模块120(如有的话)以接收前述的第二数字信号。微处理器140可以包含单个核心、多个核心、单个处理器或者多个处理器。在微处理器140上运行实现智能测量所需的程序。例如微处理器140可控制传感器100的工作，并且对所收集的数字信号做进一步处理。可方便地通过接口来与微处理器140交换数据和交互指令。根据传感器100的工作模式，微处理器130的工作也可以被进行相应的配置。例如，微处理器130可被一第二组态控制信息配置为使用相应的一个或多个内核或者处理器来运行。

通信模块150连接微处理器140。通信模块150完成传感器100和外部的数据和指令交互。通信模块150可进一步包括通信协议模块151、通信接口模块152和通信控制模块153。通信协议模块151负责将传感器100的各种数据和交互指令，对RS232、RS485、RS422、CAN、Ethernet等多种有线或无线的通信协议进行解析。通信接口模块152负责将处理后的各种数据和交互指令，依据各自通信协议要求的接口驱动方式完成收发工作。通信控制模块153负责依据需要，对通信协议模块151和通信接口模块152进行配置和实时控制，同时完成不同通信协议所需要的终端匹配、信号匹配和阻抗控制等具体要求。通信模块150可被一第三组态控制信息配置为使用相应的通信协议、终端匹配和阻抗控制来进行通信。

线路电流控制模块160负责对传感器100内部的各功能电路120、130、140、150和电源激励模块110的通断、电压值、电流值等进行配置和实时控制及检测。线路电流控制模块160可以根据一第四组态控制信息来进行所述配置。

组态控制模块170连接信号检测模块120、诊断分析模块130、微处理器140、通信模块150和线路电流控制模块160，根据选定的工作模式发出前述第一至第四组态控制信息。

具体来说，组态控制模块170通过对线路电流控制模块160的控制，实现对电源激励模块110的电压、电流进行配置和实时控制，从而以不同的激励配置，获取不同的电信号V_BGP，V_BGN，V_SP，V_SN，对各功能电路的通断、电压和电流进行配置和实时控制，实现满足特定时序的控制逻辑。组态控制模块170对信号检测模块120进行配置和实时控制，使得称重传感器100能够完成不同类型的检测模式，实现不同的检测目的。组态控制模块170能够对信号检测模块120和诊断分析模块130进行配置，使得称重传感器100分别工作于称重运行模式和诊断分析模式下。组态控制模块170能够对微处理器140进行配置和实时控制，使得称重传感器100能够工作于不同内核下，实现复杂的功能。组态控制模块170能够对通信模块150进行配置和实时控制，实现称重传感器100能够工作于不同的通信协议下，并实现通信信号的终端匹配和阻抗控制。

此外，组态控制模块170还能够实现对预定功能模块180的配置和实时控制，从而实现预定功能。

组态控制模块170的实施方式可以是多种受控开关组合的逻辑控制器件，也可以是CPLD、FPGA等逻辑控制器件，也可以通过软件实现。总结来说，这些逻辑控制器件根据控制过程和应用现场的需求，依据一定的时序和控制逻辑，对数字称重传感器进行多种配置。具体来说，对数字称重传感器的内部运行模式进行配置，可以让称重系统运行于不同工作模式下，如通信配置模式、通信编址模式、称重运行模式、检测诊断模式、系统维护模式等多种模式；又如，对数字称重传感器的各功能模块的运行方式和参数进行配置，实现对各路电源的电压、各线路电流的通断、线路间的阻抗值的变更、信号检测电路配置的选择、特定功能电路的开关、诊断功能电路的开关等多种配置控制；对数字称重传感器的通信形式进行配置，实现对称重系统的RS232、RS485、RS422、CAN、Ethernet等多种有线或无线的通信网络模式和对应的通信接口的实时配置；对数字称重传感器的网络连接模式进行配置，可以实现称重系统网络的拓扑结构的实时配置。

简要地说，称重传感器的工作过程如下：在称重传感器100受载后，测力元件101与电源激励模块110相配合，产生出与载荷对应的模拟信号；信号检测模块120将此模拟信号转换为数字信号；称重传感器100内部集成的微处理器140，对此数字信号进行处理，转换成反映受载力的数字信息，并通过一定的网络协议和接口方式，发送给称重仪表、工控机或可编程控制器(PLC)等终端设备，进而完成称重信息的采集和处理。

称重传感器可以相互通信连接组成传感器网络，并和称重仪表通信连接而组成称重系统，下面先介绍组态化称重仪表的结构。

图2示出本发明一实施例的组态化称重仪表电路框图。参考图2所示，称重仪表200包括微处理器210、组态控制模块220、线路电流控制模块230、通信模块240和预设功能模块250。微处理器210包括组态化软件功能模块211和多处理器216。组态化软件功能模块211可进一步包括高精度检测模块212、高响应检测模块213、抗扰检测模块214、诊断分析模块215。组态化软件功能模块211配合数字称重传感器100的各个模块，共同实现称重系统的软件功能及各功能间的切换，如高精度检测、高响应检测、抗扰检测、诊断分析等多种功能。多处理器模块216能够根据需要，使得软件功能模块运行于单核、多核、单处理器或多处理器等多种处理器平台上。

通信模块240包括通信协议模块241、通信接口模块242和通信控制模块243共同组成。通信协议模块241负责将传感器100的各种数据和交互指令，对RS232、RS485、RS422、CAN、Eth_ern_et等多种有线或无线的通信协议进行解析。通信接口模块242负责将处理后的各种数据和交互指令，依据各自通信协议要求的接口驱动方式完成收发工作。通信控制模块243负责依据需要，对通信协议模块和通信接口模块进行配置和实时控制，同时完成不同通信协议所需要的终端匹配、信号匹配和阻抗控制等具体要求。

线路电流控制模块230负责对称重仪表200的内部功能模块和称重传感器网络的通断、电压值、电流值等进行配置、实时控制和检测。

组态控制模块220对称重仪表内部功能模块和称重传感器网络的通断、电压值、电流值等进行配置、实时控制和检测，实现满足特定时序的控制逻辑。组态控制模块220能够对多处理器模块216进行配置和实时控制，使得称重仪表200能够工作于不同内核下，实现复杂的功能。组态控制模块220能够对通信模块240进行配置和实时控制，实现称重仪表200能够工作于不同的通信协议下，并实现通信信号的终端匹配和阻抗控制。组态控制模块220能够实现对其他预定功能模块250的配置和实时控制，从而实现预定功能。

组态控制模块220的实施方式可以是多种受控开关组合的逻辑控制器件，也可以是CPLD、FPGA等逻辑控制器件，也可以通过软件实现。

图3示出本发明一实施例的组态化的通信连接装置示意图。通信连接装置300用来连接各个传感器100以及称重仪表200，组成称重系统。组态化的通信连接装置300由接线盒、多功能通信电缆、通信接口板等连接组件方式实现。参考图3所示，通信连接装置300包括主电缆接线电路310、接线互联电路320、传感器电缆接线电路330和组态控制模块340。传感器电缆接线电路330负责完成传感器电缆与通信连接装置300的电气连接。主电缆接线电路310负责完成除传感器电缆外的，通信连接装置300间电缆、传感器100与称重仪表200间电缆、通信连接装置300与称重仪表200间电缆的电气连接。接线互联电路320负责将传感器电缆信号与主电缆信号进行电气连接。组态控制模块340能够根据需要，对接线互联电路320进行控制，从而实现以不同的网络拓扑形式完成称重传感网络的互联，如总线式、菊链式、星形、以及复杂的级联形式等。

图4显示了基于组态化技术的称重系统功能模式。参考图4所示，称重系统软件将分别运行于数字称重传感器和称重仪表等终端设备上，并配合实现组态化的可配置功能。在称重系统配置阶段，软件系统将依次工作于通信配置模式、通信编址模式；系统配置阶段完成后，系统将运行于称重运行模式下，此时，软件系统将根据实际应用要求和客户需要，分别运行于高精度检测模式、高响应检测模式和抗扰检测模式下；系统软件能够根据实际需要切换至检测诊断模式、系统维护模式，或其他预设的各种功能模式，并且能够在完成对应功能之后，切换回常规的称重运行模式；同时，系统软件能够以称重运行模式为核心，在多种配置模式间自由切换。

图5示出本发明一实施例的组态化的数字称重传感器网络拓扑图。参考图5所示，网络拓扑包括数字式称重传感器100-1,100-2,...,100-n，称重仪表200，它们之间以电缆相连接。编址过程如下：

1、当数字式称重传感器100-1,100-2,...,100-n以一定物理位置序列，通过一定拓扑形式连接成传感器网络后，称重仪表200在通信配置模式和通信编址模式下，需要对网络中的各个传感器进行编址。但常规方法下，无法自动实现传感器的网络地址序号与物理位置序列相对应。基于多组态技术的数字称重传感器网络序列化编址技术，能够使其网络地址与物理序列相对应。

2、称重仪表200通过电缆，依据一定网络拓扑原理将数字称重传感器1,2,...,n连接成网络。其中，数字称重传感器的标示码1,2,...,n与其位置序列码相对应。通信电缆中包含电源信号线和通信信号线。

3、通信信号线进入数字称重传感器100-1后，接入通信模块进行通信信号的收发、通信协议的解析、通信信号的匹配和阻抗控制；电源信号线接入线路电流控制模块，提供数字称重传感器100-1的内部供电，并在线路电流控制模块的控制下，对后续传感器网络进行供电。数字称重传感器1,2,...,n的初始配置，使得线路电流控制模块关闭后续传感器网络的供电。

4、称重系统进入通信配置和通信编址模式下，由于数字称重传感器100-1中线路电流控制模块的配置，称重仪表200仅能与数字称重传感器100-1进行通信。称重仪表200通过通信配置和编址功能，对数字称重传感器100-1配置成网络地址1，从而与其物理地址对应；编址实现后，数字称重传感器100-1通过组态控制模块，对线路电流控制电路进行配置，开启后续传感器网络的供电；对通信模块进行配置，保证通信信号匹配和阻抗控制。

5、在完成操作4后，数字称重传感器100-2得到供电。称重仪表200通过通信配置和编址功能，对数字称重传感器100-2配置成网络地址2。编址实现后，数字称重传感器100-2，通过组态控制模块，对线路电流控制模块进行配置，开启其后的传感器网络的供电；对通信模块进行配置，保证通信信号匹配和阻抗控制。

6、依据前述操作4、5的基本原理，逐步完成网络内的全部称重传感器的网络编址，并实现其网络地址与地址序列相对应，以及网络内通信信号匹配和阻抗控制。同时，数字称重传感器1,2,...,n，将线路电流控制模块的配置状态记录在非易失性存储器中。

7、称重系统的通信配置和编址完成后，进入称重运行模式工作。

8、将各线路电流控制模块集成在多功能通信电缆中，接受各组态控制模块的配置和实时控制，同样可以实现操作1-6的类似功能。

图6示出本发明另一实施例的组态化的数字称重传感器网络拓扑图。参考图6所示，本实施例的网络拓扑包括数字式称重传感器100-1,100-2,...,100-(n-1),100-n，以及称重仪表200，它们之间以电缆相连接。

当数字称重传感器组成拓扑网络后，常规的网络结构为单线形连接方式，若出现电缆断裂、接头故障等现象时，部分正常功能的数字称重传感器无法工作。本实施例的基于多组态技术和安全冗余设计的数字称重传感器环状拓扑方法，可以实现在出现电缆断裂、接头故障等现象时，称重系统仍可工作。实现过程如下：

1、数字称重传感器100-1,100-2,...,100-(n-1),100-n和称重仪表200，在完成常规网络连接后，利用电缆将网络末端的数字称重传感器100-n再连接至称重仪表200，从而实现常规网络连接基础上的环状拓扑结构。

2、称重系统运行在称重运行模式下时，称重仪表200内的微处理器、线路电流控制模块和通信模块正常工作，微处理器、线路电流控制模块处于待机状态，通信模块实现通信信号的匹配和阻抗控制。

3、在称重系统出现电缆断裂、接头故障等现象时，例如数字称重传感器100-(n-1)前电缆出现断裂，部分称重传感器无法与称重仪表通信。称重仪表切换至检测诊断模式，与线路电流控制模块配合，判定系统出现电缆断裂现象，并确定出现电缆断裂的位置。

4、称重仪表200通过组态控制模块，将原先处于待机状态的微处理器，线路电流控制模块配置为正常工作状态。线路电流控制模块对数字称重传感器100-(n-1),100-n等提供供电；微处理器通过通信模块，实现对数字称重传感器100-(n-1),100-n等的通信配置、数据和指令交互。

5、在出现电缆断裂附近的数字称重传感器，通过通信模块实现通信信号的匹配和阻抗控制，保证通信的可靠性。

6、在4、5后，数字称重传感器的环状网络已实际分裂成两个子网络，各子网络均可由称重仪表200的相应电路模块和数字称重传感器实现相应的称重功能。称重仪表200的微处理器能够将二者的数据和指令汇总，从而实现称重系统仍能正常工作。

本发明上述实施例利用数字称重传感器、通信连接装置和称重仪表等终端设备内部集成的软硬件资源，结合智能控制技术和控制逻辑，进行多组态技术的设计，对称重系统进行工作模式的实时配置，使其能够实现特定的功能应用、控制过程和网络形式；并在完成特定功能后，可再通过组态配置使称重网络工作在常规状态。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (8)

1.一种数字称重传感器，包括：

测力元件，检测该传感器的受载力并转换为电信号；

电源激励模块，连接该测力元件，提供对该测力元件的激励电压；

信号检测模块，连接该测力元件，将该电信号转换为第一数字信号，该信号检测模块被一第一组态控制信息配置为使用对应的检测模式进行所述转换；

微处理器，连接该信号检测模块以接收该第一数字信号，该处理器被一第二组态控制信息配置为使用相应的一个或多个内核或者一个或多个处理器来运行；

通信模块，连接该微处理器，该通信模块被一第三组态控制信息配置为使用相应的通信协议、终端匹配和阻抗控制来进行通信；

线路电流控制模块，根据一第四组态控制信息提供该电源激励模块、该信号检测模块、该微处理器和该通信模块的电压和电流；

组态控制模块，连接该信号检测模块、该微处理器、该通信模块和该线路电流控制模块，根据选定的工作模式发出第一至第四组态控制信息。

2.如权利要求1所述的数字称重传感器，其特征在于，还包括诊断分析模块，连接该测力元件，将该电信号转换为反映传感器状态信息的第二数字信号，并传输给该微处理器，

其中该组态控制模块还根据称重运行模式或诊断分析模式配置该信号检测模块和该诊断分析模块。

3.如权利要求1所述的数字称重传感器，其特征在于，该信号检测模块的检测模式包括高精度检测模式、高响应检测模式和抗扰检测模式。

4.如权利要求1所述的数字称重传感器，其特征在于，还包括预设功能控制模块，连接该组态控制模块，被一第五组态控制信息配置以使该传感器工作于预设功能模式。

5.如权利要求1所述的数字称重传感器，其特征在于，该线路电流控制模块能够根据该第四组态控制信息配置、控制和实时检测该电源激励模块、该信号检测模块、该微处理器和该通信模块的通断、电压值和电流值。

6.如权利要求1所述的数字称重传感器，其特征在于，该组态控制模块是在一通信配置模式及一通信编址模式下配置该通信模块。

7.如权利要求3所述的数字称重传感器，其特征在于，该信号检测模块包括高精度检测模块、高响应检测模块和抗扰检测模块，分别在对应的检测模式下工作。

8.一种数字称重传感器网络，包括多个如权利要求1所述的数字称重传感器。