低成本方法来产生所需的AC振荡设计.doc
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1、低成本方法来产生所需的AC振荡设计液体或气体流速检测是物联网 (IoT) 应用的一项重要要求,如监控气流或液体处理性能所需的智能表计和传感器。 传感器通常需要部署在远离电源的位置,那么在其使用寿命期间必须依靠电池供电。 因此低能耗就十分关键。在流量监控应用中,通常选择的测量技术是电感检测。 这项技术结合了旋转金属桨轮和线圈传感器,其中传感器在桨片经过线圈附近时利用电压和电流变化来检测桨片。 当交流电流作用于线圈时,所产生的交流磁场会使导电目标中形成涡电流。基于电感器和电容器的 LC 电路可提供一种低成本方法来产生所需的 AC 振荡。 在这样的 LC 电路中,电容器以电能形式存储能量,线圈则以磁
2、场形式存储能量。 当电容器受到激励时,它首先充电,其电压直至达到 DC 电源电压。 当电容器充满且电源电流切断后,电容器开始通过线圈放电。 随着通过线圈的电流开始上升,电容器的电压开始下降。 这种逐渐上升的电流在线圈周围产生一个磁场。 电容器完全放电后,电容器之前存储的能量现在存储在电感线圈中。由于电路中没有外部电压来维持线圈中的电流,因此电流又流回电容器进行重新充电。 这整个周期不断重复,便在两个电路元件之间产生周期性的能量传递。 电感器和电容器之间的能量传递导致电压极性发生变化,最后产生交流电压和电流波形。每次在这两个电路元件之间传递能量时,发生的损耗均会使振荡衰减。 这是由于阻性电路元件
3、造成的,它们会随时间的流逝而消散能量。 在每半个振荡周期,振荡的幅度会减弱,直到电路完全没电。 这一阻尼过程在有金属物体靠近线圈时会加速,原因是在物体内部会产生涡电流。为了确定导电物体是否存在,一种微控制器 (MCU) 算法可测量振荡波幅度。 一般来说,MCU 会按一定间隔测量电路中的电压并与基准电压进行比较。 如果与没有外部阻尼的情况相比,输入电压降到低于此基准电压的速度更快,MCU 便会触发一个接近事件。 通过分析接近事件的频率,便可表明气体或液体推动桨片绕轴旋转时的流速。低能量系统(如物联网流量传感器)的问题在于:简单的实现都要求唤醒 MCU,以便按一定间隔生成激励信号以及对 A/D 转
4、换器 (ADC) 输入进行采样。 如果已知流速较慢,那么 MCU 可以长时间休眠,只要间歇性唤醒进行读数即可。 但是,此类策略无法适应流速变化并面临错失重要接近事件的风险,从而导致流速低估。 如果 MCU 采用更活跃的占空比,可能会出现被唤醒但经常发现状态变化极小的情况,因而浪费处理周期和能量,缩短了电池的使用寿命。为了解决这一难题,可以将更多的传感器处理操作转移到硬件外设。 通常,这些外设的运行能耗比 MCU 低得多,MCU 需要相对高的时钟速率,且必须不断地从存储器加载指令和数据才能执行任务。 硬件电路则更为精简,可在 MCU 处于低功耗休眠模式时以更低的时钟速率来运行。在诸如 NXP K
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