專利名稱：適用于無線通信的處理測量儀器的制作方法
技術領域：
本發明涉及適用于無線通信的處理測量儀器。
背景技術：
在處理工業中，當前存在對于現場設備的無線連接性的工業推 動，這帶來了一些額外的挑戰。
適用于無線通信的處理測量儀器通常包括測量單元，負責獲取 處理變量的測量值，例如，儲罐中的產品的高度；以及無線通信單 元，負責外部通信。儀器典型地由具有通常為幾年的最小壽命要求的 內部電力儲備裝置(例如電池)來驅動。
為了在這種電池操作的裝置中節約電力，從而延長它們的壽命， 測量單元通常遵循激活和睡眠模式的獨立工作周期。同時，無線通信 單元通常間歇地操作，這通常是遵從基于例如TDMA的無線協議的 結果。這可能導致在操作期間兩個單元中沒有任何一個單元、兩個單 元之一或兩個單元同時激活的隨機重疊。
其結果是，綜合的功耗可能呈現出多個功耗極低的時段和多個功 耗極高的時段，在功耗極低的時段中測量單元和通信單元都未激活， 在功耗極高的時段中測量單元和通信單元都激，活。這樣的急劇變化的 功耗對于實現長的電池壽命是不理想的，并且要求非常高的最大電源 電流。
在依賴于RF和/或微波傳輸來進行測量處理的儀器中存在其它 問題。這種測量儀器的例子是雷達液位計(radar level gauge, RLG )。在這種儀器中，當它們同時操作時，在RF模塊(或微波模 塊)和無線通信模塊之間存在相互電磁干擾(EMI)的電勢。千擾可 以在裝置的封裝/外殼內部傳送，或者如果儲罐不屏蔽輻射(例如，即使模塊在不同的頻率下運行，它們也通常必須彼此鄰近地被集 成，以便最小化形狀因子，例如減小板面積或電子板的數量。這可能
導致不合理的高模塊化規格，所述規格要求使用非常昂貴的離散RF 濾波器，所述離散RF濾波器也通過插入損耗和噪聲因子使接收機性 能劣化(它們通常被布置在任何增益級之前，并且因此對噪聲因子具 有較大影響)。
解決相互千擾問題的一個選擇是配置根據公共時分方案來發射/ 接收的模塊，在所述公共時分方案中一次僅激活一個模塊。然而，這 將需要通過公共控制應用對兩個模塊的操作進行某種同步控制。從集 成的角度來看，這不是一個希望的要求，因為兩個模塊的發展步伐和 起點遵循不同的設計路徑。例如，雷達液位計模塊是高度專門化的測 量儀器，而無線通信模塊卻遵循快速但有時不確定的演化標準路徑。
因此，優選的是以其單獨的控制應用來操作各個模塊，遵循分別 優化的操作方案或協議。這需要在嘗試解決上述問題時的不同方法。
此外，模塊需要一些彼此通信的方式，因為由測量單元獲得的測 量結果要通過無線信道進行發射。這意味著至少當從測量單元向無線 通信單元、例如串行鏈路傳送當前測量值時的至少一些同步操作。
發明內容
因此，本發明的一個目的是減輕上述問題中的至少一些，并捉沐 具有減小的功耗峰值，以及減少或消除電磁干擾(EMI)的無線處理 測量儀器。
根據本發明的第一方面，這個目的和其它目的通過適用于無線通 信的處理測量儀器來實現，所述處理測量儀器包括測量單元，被配 置為確定處理變量的測量值，所述測量單元具有包括激活時段和未激 活時段的操作，所述激活時段具有比未激活時段更高的功耗。該儀器 還包括存儲器，被配置為存儲處理變量的當前測量值；無線通信單 元，被配置為訪問當前測量值，并根據用于間歇激活通信的協議，通過無線通信信道來傳送當前測量值；仲裁邏輯，與測量單元和無線通 信單元通信，并被配置為確保測量單元的激活時段在無線通信未激活 時出現。
根據本發明的第二方面，這個目的和其它目的是通過用于傳送來 自測量單元的處理變量的測量值的方法實現的，所述測量單元被配置 為確定測量值。測量單元具有包括激活時段和未激活時段的操作周 期，所述激活時段具有比未激活時段更高的功耗。所述方法包括下述 步驟存儲處理變量的當前測量值；訪問存儲的當前測量值；根據用 于間歇激活通信的協議，通過無線通信信道來傳送當前測量值；以及 控制測量單元和無線通信，以確保測量單元的激活時段在無線通信未 激活時出現。
因此，測量單元和通信單元能夠例如通過順序讀取/寫入訪問， 經由共用存儲器來共享信息。這避免了對于同時激活的需要。仲裁邏 輯確保了測量單元和無線單元的活動不重合，由此避免功耗尖峰和干 擾。
通過避免通信單元和測量單元同時激活，可避免由電流-電壓尖 峰引起的信號干擾和電源噪聲。這也要求來自電源的較低的最大電 流。
當儀器由例如電池的內部電力儲備裝置供電時本發明尤其有利， 并且延長了這種電力儲備裝置的壽命。
所提出的方案顯然需要兩個單元具有足夠的未激活時段部分，以 允許交織激活時段而沒有綜合延遲。然而，對于無線儀器通常是這種 情況，因為間歇的操作是獲得低功耗的有用方式。
仲裁邏輯可適用于延長任一單元的未激活時段(睡眠時段)，從 而隨后的激活時段被延遲，直到另一個單元為未激活。應注意，所述 單元中的一個忍受其激活時段的禁止就足夠了。延遲測量單元的激活 時段是有利的，因為無線單元通常受無線通信協議的定時要求管理。
例如，如果到無線信道的訪問是基于TDMA的，則可能不能影響所 安排的時隙。根據一個實施例，每個測量周期都處于通信協議的激活時段的數 量級，從而可在通信單元的每個激活時段期間完成一個測量周期
(即，產生一個測量值)。對于TDMA，這將為lHz的數量級。 可供替換地，測量單元的完整的測量周期可被分割為幾個激活時
段。這可能是必需的，例如，如果測量單元不能在無線單元的兩個激
活周期之間完成測量周期。
本發明可用于各種間歇測量儀器，例如無線壓力發射機和液位計。
這對于使用電磁能量來執行測量的儀器，例如雷達液位計特別有用。
現在，將參照示出了本發明的當前優選的實施例的附圖更詳細地 描述本發明的這個方面和其它方面。
圖1是根據本發明的一個實施例的雷達液位計量系統(RLG) 的整體視圖。
圖2是圖1的RLG的示意性框圖。
圖3是圖2的框圖的硅芯片實現方式的示意圖。
圖4是示例了根據本發明的實施例的仲裁的時間線。
具體實施例方式
圖1示出了根據本發明的一個實施例的雷達液位計(RLG) 1的 透視圖。液位計1被配置為執行儲罐5中的處理變量的測量，例如測 量儲罐5中的兩種(或更多)材料3、 4之間的界面2的高度L。通 常，第一材料3是儲罐中存儲的容納物，例如象汽油那樣的液體，但 也可檢測例如谷物或顆粒物的非液體材料。第二材料4通常為存在于 儲罐中位于第一材料3上方的空氣或某種其它氣氛。RLG將能夠檢 測到儲罐中的界面2的距離d，并且該距離可用于計算高度L或感興 趣的某些其它處理變量。應注意，不同的材料具有不同的阻抗，并且電磁波僅傳播通過儲 罐中的某些材料。因此，通常僅測量第一界面的高度，或者如果頂層 材料足夠透明的話測量第二界面的高度。
RLG 1還包括微波發射機/接收機。如圖l所示，所述發射機/接 收機可以包括在儲罐頂部的自由輻射天線6，或可供替換地，發射機/ 接收機可包括用作波導的鋼管、或延伸到儲罐中的發射探針(例如， 同軸探針、單探針或雙探針)。
RLG1還包括測量單元7和通信單元8。在所示的例子中，RLG 適用于通過無線鏈路9與外部控制系統10通信。為了該目的，通信 單元8適用于使用適合的無線協議與接入點通信。
轉到圖2，以框圖形式示出了 RLG 1，測量單元7包括用于發射 和接收電磁信號的收發機11、和用于控制收發機并基于發射的和接 收的孩"皮之間的關系確定測量結果的處理電路12。處理電路通常包 括處理器13和用于存儲要由處理器執行的軟件的存儲器14。
根據所示例的實施例，通信單元8包括通信電路15和收發機 16。通信電路通常包括處理器17和用于存儲要由處理器17執行的軟 件的存儲器18。收發機16可以是GSM調制解調器，；故配置為使用 時分多址(TDMA)在GSM標準下通信。當然，同樣可應用其它協 議，例如Zigbee (IEEE 802.15.4)、無線HART (關注處理工業協 議的Zigbee) 、 CDMA (碼分多址)、UMTS (通用移動通信系 統)、無線局域網(WLAN)、藍牙等。 在使用中，測量單元7間歇地工作，并在被未激活時段分開的激 活時段期間執行測量。測量周期，即產生一個測量結果的處理可在一 個這樣的激活時段內完成，或將其分割在幾個激活時段中。在每個測 量周期期間，處理電路12控制收發機11來產生并發射要通過發射機 /接收機6被發射到儲罐5中的測量信號。該信號可例如是脈沖信號 (脈沖液位計量)或頻率在特定范圍內變化的連續信號(調頻連續 波，FMCW)，或用于儲罐計量的任何其它合適的信號調制。在脈 沖液位計量的情況下，由收發機11產生的信號可以是具有約2 nm或更短的長度的DC脈沖，脈沖重復頻率為1 MHz的數量級，并且 在4-11 GHz頻率(微波)的載波上被調制。平均輸出功率電平可 以在m\V到juW的范圍。發射機/接收機6用作適配器，使收發機 11中產生的信號能夠作為電磁波傳播到儲罐5中，所述信號可被材 料3的表面反射。
收發機經由發射機/接收機12接收儲罐信號，即發射信號與其回 波的相關、或發射和反射信號的混合，并將其傳送至處理電路20。 處理電路20基于發射的和接收的波之間的關系來確定測量結果。
圖2中的RLG 1還包括連接至測量單元7并且可從測量單元7 進行訪問的存儲器21、以及使用合適的內部存儲器訪問通信協議的 通信單元8。存儲器具有必要的控制和用于存儲來自測量單元的測量 結果的數據區域，并使該結果可由通信單元獲得。
仲裁邏輯22 ^:配置為通過控制處理電路12和/或通信電路15和 /或用于儲罐計量的收發機/雷達中的睡眠定時器處理23、 24來管理 存儲器訪問。
RLG還包括內部電力儲備裝置26，例如電池或類似的裝置。電 力儲備裝置可以是可通過電源接口 27 (例如簡單的電線或更精密的 無線電源接口)再充電的。
存儲器可被實現為分立的模塊，例如雙端口 SRAM或非易失性 存儲器，或集成方案的一部分，例如使用芯片系統(SoC)中的 DMA (直接存儲器訪問)通道。如圖3所示，這樣的集成方案可包 括處理電路12、通信電路15、存儲器21和的仲裁邏輯22。
在SoC實現中，儲罐收發機/雷達控制電路12和通信收發機控制 電路16通常經由連接不同模塊的內部總線25共享對共用存儲器21 的訪問。仲裁邏輯22通常為DMA (直接存儲器訪問)控制器，所 述DMA控制器根據特定方案(例如，處理模塊間的輪轉)使每個處 理模塊訪問存儲器21。然后，存儲器22包含不同時發射的測量值以 及與其它模塊共享的狀態信息(例如，激活、睡眠信息)。
在操作期間，仲裁邏輯22確保測量單元7和通信單元8交替激活，并且一次一個地訪問存儲器。更具體地講，仲裁邏輯22控制睡 眠定時器處理23、 24來保持測量單元7和通信單元8中的一個處于 未激活狀態(睡眠模式)，直到另一個單元完成了激活時段。在通信 協議依賴于特定定時的情況下，例如當通信單元8被配置為使用 TDMA協議進行通信時，通信單元8的睡眠時段不能由仲裁邏輯控 制。而是，仲裁邏輯根據通信單元8的睡眠時段來控制測量單元7的 睡眠處理23。
圖4示例了簡單的仲裁方案。此處，每個通信周期，即無線通信 單元8的激活時段，由31表示，并且具有對分配的TDMA通信時隙 足夠的持續時間，此處，被示例為每個通信周期一個通信時隙。如圖 3所示，這種周期的重復頻率可以為1 Hz的數量級。在每個通信周 期31之間，測量單元7是激活的，并且測量單元的至少一個完整的 激活時段32在通信周期31之間發生。
對于雷達液位計，測量單元7的重復頻率對于線路供電裝置可以 為10 Hz的數量級，即，在兩個連續的通信周期31之間將存在大約 10個激活時段32，各自包括完整的測量周期。然而，對于電池供電 的儀器可以長達每10分鐘一次，以延長電池壽命。在圖3中，為了 清楚起見，僅示出了三個激活時段32。
測量單元在兩個連續通信周期31之間至少一次，并且優選地對 于每個激活時段32 —次，獲得對存儲器21的訪問，并在存儲器21 中存儲測量結果。在通信周期31期間，通信單元8獲得對存儲器" 的訪問，并讀取存儲的結果。
原則上，在兩個連續通信周期31之間執行一次測量，即一個測 量周期就足夠了。然而，在通信周期31之間執行幾次測量是有原因 的，例如，如果通信協議允許發送x個最新的測量值來控制高于通信 更新速率的電平變化。這通過打包測量值和減小總協議開銷節約了電 力。此外，可使用幾個測量值來確定平均測量結果，這可減小產生的 結果的標準偏差。
應注意，測量單元7和/或通信單元8不一定必須在每個激活時
10段期間訪問存儲器21。相反，取決于完成一個完整的測量周期通信 單元8所要求的重復頻率和測量單元7所要求的時間， 一些儀器可能 需要幾個激活時段來完成一次測量。同樣，取決于通信協議，通信單 元可能需要幾個激活時段(即，幾個通信周期31)來完成測量結果 的通信。
本領域技術人員應認識到本發明決不限制于上面描述的優選實施 例。相反，在所附權利要求的范圍內可進行許多修改和變形。例如， 盡管參照雷達液位計描述了本發明的實施例，但這只是一個例子，并 且許多其它處理儀器，例如壓力計和其它計量裝置可有利地具有本發 明的實施例。
權利要求
1、一種適用于無線通信的處理測量儀器，所述處理測量儀器包括測量單元(7)，被配置為確定處理變量的測量值，所述測量單元具有包括激活時段(31)和未激活時段的操作，所述激活時段具有比所述未激活時段更高的功耗，存儲器(21)，被配置為存儲所述處理變量的當前測量值，無線通信單元(8)，被配置為訪問所述當前測量值，并利用間歇激活通信根據協議通過無線通信信道來傳送所述當前測量值，以及仲裁邏輯(22)，與所述測量單元和所述無線通信單元通信，并被配置為確保所述測量單元的激活時段在所述無線通信未激活時出現。
2、 根據權利要求1所述的處理測量儀器，其中所述仲裁邏輯 (22)被配置為延長所述測量單元(7)的未激活時段，從而延遲隨后的激活時段(31)，直到無線通信單元為未激活。
3、 根據權利要求1所述的處理測量儀器，其中所述測量單元的 測量周期被分為幾個激活時段(31)。
4、 根據權利要求1所述的處理測量儀器，其中所述儀器還包括 內部電力儲備裝置(26)。
5、 根據權利要求1所述的處理測量儀器，其中所述儀器還包括 用于電源的無線接口 (27)。
6、 根據權利要求1所述的處理測量儀器，其中所述測量單元包 括用于在所述激活時段期間發射電磁波的收發機(11)。
7、 根據權利要求1所述的處理測量儀器，被配置為確定儲罐 (5)中的產品的高度(L)，所述儀器包括收發機(ll)，用于發射和接收電》茲信號，傳播裝置(6)，被配置為允許發射的信號向所述表面傳播，并 使反射的信號返回收發機，以及處理電路(12)，用于基于所述發射的信號和所述接收的信號之 間的關系來確定所述測量值。
8、 根據權利要求1所述的處理測量儀器，其中所述通信協議是 時分多址(TDMA)協議。
9、 一種用于傳送來自測量單元(7)的處理變量的測量值的方法,所 述測量單元(7),皮配置為確定所述測量值，所述測量單元具有包括激 活時段(31)和未激活時段的操作，所述激活時段具有比所述未激活 時段更高的功耗，所述方法包括下述步驟存儲所述處理變量的當前測量值， 訪問存儲的當前測量值，利用間歇激活通信根據協議通過無線通信信道來傳送所述當前測 量值，以及控制所述測量單元(7)和所述無線通信，以確保所述測量單元 的激活時段在所述無線通信未激活時出現。
10、 根據權利要求9所述的方法，其中所述控制步驟包括延長所 述測量單元(7)的未激活時段，從而延遲隨后的激活時段直到無線 通信單元為未激活。
11、根據權利要求9所述的方法，其中所述測量單元的測量周期 被分為幾個激活時段。
12、根據權利要求9所述的方法，其中所述通信協議為時分多址 (TDMA)協議。
全文摘要
一種適用于無線通信的處理測量儀器，所述處理測量儀器包括測量單元(7)，被配置為確定處理變量的測量值；存儲器(21)，被配置為存儲所述處理變量的當前測量值；無線通信單元(8)，被配置為訪問所述當前測量值，并根據用于間歇激活通信的協議通過無線通信信道來傳送所述當前測量值；以及仲裁邏輯(22)，與所述測量單元和所述無線通信單元通信，并被配置為確保所述測量單元的激活時段在所述無線通信未激活時出現。因此，測量單元和通信單元能夠例如通過順序的讀取/寫入訪問經由共用存儲器來共享信息。這避免了同時激活的需要。當儀器由例如電池的內部電力儲備裝置供電時，本發明由其有利，并延長這樣的電力儲備裝置的壽命。
文檔編號G08C17/00GK101681552SQ200880019519
公開日2010年3月24日 申請日期2008年5月6日 優先權日2007年5月7日
發明者F·溫格 申請人:羅斯蒙特雷達液位股份公司