專利名稱：能量負載控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于接收脈動信號、將該信號轉換成數(shù)字信號并利用這些信號的裝置。本發(fā)明涉及一種接收裝置，該裝置可以對所接收的特定脈動信號進行解碼，這些信號使得該裝置以傳統(tǒng)脈動接收機的方式而工作，同時也允許該裝置以其它一些附加的方式而工作。
傳統(tǒng)脈動控制已經被應用于通過動力傳輸系統(tǒng)從動力源向負載傳輸信息以便對該負載進行遙控。最為普通的應用是控制熱水供暖系統(tǒng)。
目前，脈動信號接收機局限于直接控制應用，其中它們對預定信號進行識別并執(zhí)行預定的功能。它們不能識別多于一個輸入或執(zhí)行多于一項或一組基于輸入中信息的功能。另外，信號識別與輸出功能參數(shù)在生產制造時被限定或設定，從而每個接收機均為某種特定的應用而設計和制造。
目前可供使用的接收機還以傳統(tǒng)的方式與建筑物或住宅的主配電板相連，由該配電板，某種專用電路與該接收機所進行控制的電氣設備相連。另外，目前可供使用的接收機不能對脈動信號進行解碼并向其它設備傳輸含于信號中的信息。
EP0159896公開了一種脈動控制系統(tǒng)，其中接收機使用一對相互之間具有90°相差的同步濾波器以抑制不需要的信號。該發(fā)明的重點在于獲得窄帶模擬濾波以便能識別可能包含多個頻率的預定編碼。而后，該接收機執(zhí)行預定的功能。
已知還有其它的脈動接收機，其中包括Aust 26102/71和Aust 45281/79。然而，那些接收機專門用于接收特定的脈動信號并根據(jù)該編碼而執(zhí)行一種或一組預定的功能。
NZ 211797、NZ 216945和NZ 172898公開了關于脈動接收機中對所需脈動信號進行模擬或數(shù)字濾波的發(fā)明。這些發(fā)明強調對所需脈動信號的濾波，而并未公開關于對依賴于一個或多個接收脈動信號的輸出功能進行選擇。
本發(fā)明的目的在于提供數(shù)字脈動接收裝置，它可在耗電位置與各個電氣設備或負載一同使用。本發(fā)明的另一個目的在于提供可編程以便識別任何已知脈動信號編碼系統(tǒng)的裝置。本發(fā)明的再一個目的在于提供可根據(jù)接收脈動信號中任意給定輸入信息而執(zhí)行各種輸出功能的裝置。
為了上述這些目的，定義脈動信號包含通過供電局、建筑物內或工業(yè)、民用或商用成套設備中的電網以不同于電力干線頻率的頻率而傳輸?shù)男畔ⅰＴ撔畔⒖捎谩半妶蟆钡男问?即特定長度的信息或指令，例如50比特系統(tǒng))和/或可包含給信號接收裝置的指令、用于控制脈動接收機電路的信息或任何可在脈動信號中傳輸或被接收的其它信息。
本發(fā)明提供的裝置用于接收一個或多個包含脈動信號的輸入并根據(jù)包含于其中的信息而進行工作，該裝置包括用于接收該脈動信號的裝置；用于將該信號由模擬形式轉換成數(shù)字形式的裝置；微型控制裝置，它能以某種可從一系列編程選擇中選取的方式在一個或多個輸出端口進行工作，該選取依賴于含于該接收輸入中的信息，其中每個端口可以作為其它外周設備的接口；一個或多個串行通訊端口。
用于接收脈動信號的該裝置最好包括輸入電容、衰減器、干線陷波濾波器和低通濾波器。模擬/數(shù)字變換器最好將信號模擬電壓轉換成8位數(shù)字信號。
與該裝置相連的其它外周設備可包括電氣設備、另外的電氣或電子線路、向脈動信號源返回脈動信號或某種其它信號的電路中的任一種，或包括其它可以由電氣輸入進行控制的其它設備。
最好有8個單比特端口可以被定義為輸入，輸出或零(未使用)。與該端口相接的設備將決定該端口的特性。因此可以有一個或多個串行通訊端口。
同樣，該裝置最好包含實時時鐘和儲能裝置，以便在電源中斷或斷路的情況下維持該時鐘的工作。該時鐘也可以同微型控制裝置相連。
附圖的簡要說明僅通過舉例的方式，參考附

圖1詳細介紹本發(fā)明的優(yōu)選方案，其中圖1為本發(fā)明裝置電氣電路的設計示意圖。
參考圖1，含于或接于(舉例而言)熱水泵筒的脈動裝置2檢測正常干線信號上外加脈動信號的存在。例如，在新西蘭，干線信號的頻率為50Hz。通常，脈動信號的額定電壓電平為干線電壓(1.2伏rms)的0.55％。
輸入電容14提供由干線輸入信號電壓到適當工作電壓的低損耗電壓降。衰減器13進一步減小該輸入信號以便使電平適合于干線陷波濾波器3所使用的信號。陷波濾波器3對50Hz干線頻率提供高衰減以便使來自該50Hz信號濾波器3的輸出信號與載于其上的脈動信號電平處于相同的數(shù)量級。該信號通過低通濾波器4，該濾波器對最高所需脈動頻率以上的信號頻率進行衰減。這給出了抗混淆功能(為了減小任何來自過慢信號取樣并因此而在模擬/數(shù)字變換器5中得到錯誤結果的影響)。濾波器4的主要作用是濾除干線頻率的高次諧波。
來自低通濾波器4的信號被饋至變換器5。變換器5由微型控制器8進行控制。變換器5測量模擬信號的電平并將其變換為8位數(shù)字信號。
包含圖中未畫出整流器、平滑電容和穩(wěn)壓器的電源6為電路提供動力。檢波電路7對饋至電源6中穩(wěn)壓器輸入端的電源電壓進行監(jiān)測。若電路中電壓低于預定的預置電壓，則故障電路7向微型控制器8發(fā)送信號。如果微型控制器8收到這樣的信號，它執(zhí)行預定的操作將該裝置2當時的狀態(tài)存儲于永久存儲區(qū)10中。輸入/輸出端口9通過已知類型的繼電器和開關將裝置2與外部設備(圖中未畫出)相連。
如果需要的話，實時時鐘11可以包含于該裝置2中。時鐘11可以被微型控制器8訪問以確定是否應執(zhí)行某種特定或任何與時間相關的功能。串行端口12可用于向永久存儲區(qū)10傳送數(shù)據(jù)和/或用于從裝置2輸出數(shù)據(jù)函數(shù)微型控制器8包括用于控制變換器5和在確切時刻讀取變換器5輸入信號取樣的脈動接收機算法程序編碼。微型控制器8還包括根據(jù)由脈動信號決定或包含于脈動信號之中的觸發(fā)脈沖而定義通過端口9接于裝置2外部設備操作的布局圖操作指令。
該布局圖(圖中未畫出)包含至多16個觸發(fā)脈沖表列、至多16種功能表列和一個矩陣。該矩陣列出了沿Y軸的觸發(fā)脈沖和沿X軸的8個端口9以及單元。如果功能與端口9的類型相容，則可從預定功能表列中選取該功能并將其置于該矩陣的任一個或多個單元之中。這樣，就限定了對給定觸發(fā)脈沖信號所要進行的操作。不需要將所有的單元均填滿?？諉卧硎緹o需在相應端口9處根據(jù)與該行(或端口9)相關的觸發(fā)脈沖情形而改變當前的功能操作。
觸發(fā)脈沖可以是下列任意一種，或它們之中的某種組合·脈動電報，以數(shù)字的形式，可與任何輸入脈動信號或電報相比較；·定時觸發(fā)脈沖，該觸發(fā)脈沖可以包含以日、周、時、分或秒及其組合形式的時間。這只能用于裝置2中存在時鐘11的情形；·時間范圍觸發(fā)脈沖，它可在包括日、周和時的兩時間之間定義包含時間范圍。這種選擇只能用于裝置2中存在時鐘11的情形；·暫停觸發(fā)脈沖。可使用計時器對可編程時間進行倒計數(shù)且當計數(shù)為零時產生觸發(fā)脈沖。對每個端口9只能有一個選擇的觸發(fā)脈沖；·檢查時鐘11的觸發(fā)脈沖；·僅當裝置2起動時而作用的觸發(fā)脈沖；以及·輸入端狀態(tài)觸發(fā)脈沖。
以下為可能的功能·“導通”功能，用以將相關端口9接通；·“關斷”功能，用以將相關端口9關斷；·脈沖功能，用以在可編程時間期間接通相關端口9，而后將其關斷。該功能可包含同樣可編程的延遲時間。該功能只能與輸出端口9相關聯(lián)；·周期功能，它使相關端口9經歷通斷周期并以可編程次數(shù)重復該周期。該功能還可以從起動時進行可編程延遲，或可在一組同樣可編程的時間期間內執(zhí)行；·重復功能，用以通過輸出端口9產生包含接收脈動電極的數(shù)據(jù)包；·用于復位時鐘11或將其設定為可編程時間的功能；以及·用于通過串行端口12輸出時鐘11時間的功能。
因此，裝置2可進行編程以便在收到來自微型控制器8的特定信號時對一種電氣設備(圖中未畫出)進行操作。裝置2還可用作復合邏輯單元，即它可用作具有特殊功能的可編程單元而無需脈動信號輸入作為指令。
用于控制變換器5和在確切時間讀取輸入信號取樣的脈動接收機算法程序編碼基于利用離散傅里葉變換的算法。該變換實現(xiàn)固定頻率下具有sin(x)/x響應的帶通濾波器。該頻率依賴于變換器5的取樣率。該算法使用兩個累加器(實數(shù)的與虛數(shù)的)。
實數(shù)累加器為各個取樣與取樣頻率角正弦乘積之和。虛數(shù)累加器為各個取樣與取樣頻率相位余弦乘積之和。如果使用4倍于所需頻率(4dft)的取樣頻率，則應在0°、90°、180°和270°處進行取樣。這些角度的正弦和余弦為1、0或-1。因此，該算法簡化為如下規(guī)則·對0°取樣，將讀自變換器5的值加入實數(shù)累加器；
·對90°取樣，將讀自變換器5的值加入虛數(shù)累加器；·對180°取樣，將讀自變換器5的值從實數(shù)累加器中減去；以及·對270°取樣，將讀自變換器5的值從虛數(shù)累加器中減去。
如果取樣率為8倍所需頻率(8dft)，則應在實數(shù)和虛數(shù)累加器中加上或減去附加取樣0.707。8dft取樣對于發(fā)生在50Hz干線信號的混淆頻率而言具有較好的響應，但它具有其它的缺陷。
取樣總時間決定了濾波器的帶寬一取樣點越多則濾波器帶寬越窄。實踐中已經發(fā)現(xiàn)，最有利的濾波取樣率為500Hz以上用4dft，而500Hz以下用8dft。這使得混淆問題的減小最為顯著。
由于必須以高于每500msec的頻率對信號功率進行測定，所以取樣數(shù)據(jù)被存儲于“先進先出”累加器隊列之中(圖中未畫出)。這樣，可以通過對累加器隊列進行求和并按常規(guī)處理平方和而得到對所需信號功率的度量。
為了從脈動信號中去除干線頻率分量及其諧波，實踐中已經發(fā)現(xiàn)，必須使總取樣時間為干線頻率倒數(shù)的倍數(shù)。因此，如果干線頻率為50Hz，則取樣時間必須為20msec的倍數(shù)。
可對信號進行取樣的次數(shù)將依賴于微型控制器8中計時器的能力。實踐中已經發(fā)現(xiàn)，以2μsec增量工作的計時器是適合的。
為減小相鄰所需頻率之間的階躍幅度，取樣之間的時間以盡可能規(guī)則的模式選擇為每4個或8個取樣t和t＋2μsec，究竟是每4個還是8個則依賴于所編程的是4點還是8點dft，這樣，對微型控制器(以2μsec增量工作)可選擇2μsec增量的頻率。
算法中的上述這些變量可全部以程序編入8位微型控制器8之中。同樣，如果需要的話，所有變量均可進行重新編程。因此，一旦裝置2的安裝特性確定或安裝完畢之后，所有的變量就可以確定了。如果需要的話，可以使用16位微型控制器。
上述裝置2的說明是參考由脈動信號中輸入觸發(fā)脈沖信號的操作而進行的。該觸發(fā)脈沖可以取脈沖電報的形式。含于該電報中的信息可以是任何形式、可插入該電報中的信息。例如，該信息可以是電力收費率。該觸發(fā)脈沖可以被編程，以便只有當該收費率降至低于某個預定數(shù)值時才對接于相關輸出端口9上的裝置2進行操作。該電報中的信息可以是有待與預定時間相比較的時間。該信息可以是其它商品(如燃氣)的價格，以觸發(fā)裝置2對其它設備或系統(tǒng)(如以燃氣驅動的系統(tǒng)或設備等)進行操作。該觸發(fā)脈沖還可包括任選因子，以便可隨意地將某種類型的設備接通或關斷。
因此，應當認識到裝置2或一組裝置2可用于任意尺寸能源網絡的間接負載控制。盡管對裝置2所進行的說明是參考50Hz電力干線系統(tǒng)而進行的，但應當認識到經過適當?shù)母倪M該裝置2可用于具有另外頻率的系統(tǒng)。
串行端口12可用于從裝置2向另外的設備輸出數(shù)據(jù)。因此，裝置2還可用作轉發(fā)器。
權利要求
1.用于接收一個或多個包括脈動信號在內的輸入并根據(jù)其中所含信息而工作的裝置，該裝置包括用于接收該脈動信號的裝置；將該信號由模擬形式變換為數(shù)字形式的裝置；能夠以某種方式對一組輸出端口中的一個或多個發(fā)生作用的微型控制裝置，其作用方式可以從一組可編程選擇中進行選取，這種選取依賴于包含在該接收輸入中的信息，其中每個輸出端口可作為其它外圍設備的接口；一個或多個串行通訊端口。
2.根據(jù)權利要求1的裝置，其中該微型控制裝置還可以在該輸出端口及該串行通訊端口傳輸包括該脈動信號中信息在內的輸出信號選擇，該選擇依賴于該輸入信息。
3.根據(jù)權利要求1或2的裝置，其中該輸入還包括實時時鐘，該時鐘含于該裝置之中。
4.根據(jù)權利要求3的裝置，其中該時鐘可以被該微型控制裝置所訪問，且其中該時鐘工作在0.5MHz。
5.根據(jù)上述任一項權利要求的裝置，其中該輸入還包括一組單比特輸入端口中的一個或多個。
6.根據(jù)上述任一項權利要求的裝置，其中該微型控制裝置含有永久存儲器并包括對限定接于該輸出端口上外圍設備操作的布局圖進行操作的指令，該布局圖包括一個或多個包含一個或多個脈動信號等效數(shù)字信號的可編程觸發(fā)脈沖；一種多種包括維持原狀態(tài)在內的可編程功能；決定各個輸出端口處對各個觸發(fā)脈沖所執(zhí)行功能的可編程矩陣；而其中該指令包括將該觸發(fā)脈沖與含于該接收輸入中的信息進行比較；在該輸出端口處執(zhí)行由該矩陣所確定的功能操作。
7.根據(jù)權利要求6的裝置，其中該觸發(fā)脈沖和該功能包括以上所述的各項。
8.根據(jù)上述任一項權利要求的裝置，其中該脈動信號接收裝置可進行編程以識別任何關于該脈動信號的已知編碼系統(tǒng)，該裝置包括用于濾除該脈動信號相關頻率并抑制不需要的干線頻率、干線諧波及其它信號頻率的帶通濾波裝置；以及用于將該脈動信號數(shù)字化的裝置。
9.根據(jù)上述任一項權利要求的裝置，其中該脈動信號接收裝置包括模擬/數(shù)字變換器；含于該微型控制裝置中的程序編碼，它控制該變換器并包含利用離散傅里葉變換在脈動信號頻率處實現(xiàn)sin(x)/x響應帶通濾波器的算法，其中該變換器的可編程取樣率的最小值設置為該脈動信號頻率的四倍且該信號的取樣在0°、90°、180°和270°處，其中信號功率利用對實數(shù)和虛數(shù)累加器中存數(shù)的平方進行迭加而決定，而該存數(shù)是在依賴于該濾波器帶寬的可編程取樣時間內所累積起來的，且其中該實數(shù)累加器中的存數(shù)為0°取樣和減去180°取樣和，而該虛數(shù)累加器中的存數(shù)為90°取樣和減去270°取樣和。
10.根據(jù)權利要求9的裝置，其中該取樣率八倍于該脈動信號頻率且該信號取樣在0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°進行。
11.根據(jù)權利要求9或10的裝置，其中該取樣時間為干線頻率周期的倍數(shù)。
12.根據(jù)權利要求9至11中任一項的裝置，其中該算法還包括實數(shù)及虛數(shù)先進先出排隊累加器，該累加器包括若干可編程存儲單元，每個單元分別存儲來自該實數(shù)及虛數(shù)累加器可編程取樣數(shù)之和，而其中各單元中的取樣數(shù)及各排隊累加器中的單元數(shù)由該算法決定且與該脈動信號頻率相關，而其中該信號功率的測定通過對各個排隊累加器中單元總數(shù)的平方求和而確定。
13.根據(jù)權利要求12的裝置，其中取樣之間的時間在該脈動信號頻率的各個周期上以交替變化的規(guī)則模式選擇為t和t＋2μsec。
14.根據(jù)上述任一項權利要求的裝置，其中該微型控制器工作于0.5MHz。
15.根據(jù)權利要求9至14中任一項的裝置，其中該變換器為8位變換器
16.根據(jù)上述任一項權利要求的裝置，其中該裝置包括八個單比特端口，這些端口可編程為輸入、輸出或零狀態(tài)。
17.根據(jù)上述任一項權利要求的裝置，其中該微型控制裝置包括8位微處理器。
18.根據(jù)權利要求1至16的裝置，其中該微型控制裝置包括16位微處理器。
19.根據(jù)上述任一項權利要求的裝置，其中該設備可編程變量可利用該串行通訊端口進行編程。
20.根據(jù)上述任一項權利要求的裝置，其中該裝置包括輸入電容、衰減器、干線陷波濾波器以及低通濾波器。
21.根據(jù)上述任一項權利要求的裝置，其中該裝置還包括供電電壓檢測電路，該電路在電路電壓下降至低于預先設定電壓時向該微型控制裝置發(fā)出信號，于是該微型控制裝置存儲該設備的狀態(tài)。
22.根據(jù)上述任一項權利要求的裝置，其中該外圍設備包括如前文所述向電網輸入脈動信號的電路。
23.根據(jù)上述任一項權利要求的裝置，其中該裝置可與各個電氣設備在靠近耗電位置一同使用。
24.根據(jù)權利要求23的裝置，其中該裝置可安放在該各個設備之中。
全文摘要
本發(fā)明裝置接收包含脈動信號、輸入端口狀態(tài)及時鐘狀態(tài)的輸入并根據(jù)其中信息而工作。該裝置包括含有算法程序編碼的脈動信號接收裝置；變信號為數(shù)字形式的裝置；用某種方式對一個或多個輸出端口進行操作的微型控制裝置，其工作方式可根據(jù)接收輸入信息從一組可編程項中選擇；其中每個輸出端口可作為其它外圍設備的接口。該裝置可操縱負載控制設備并可與其它負載控制設備一起用于供電網或工業(yè)電網、民用或商用成套設備。
文檔編號H02J13/00GK1144023SQ95192106
公開日1997年2月26日 申請日期1995年7月27日 優(yōu)先權日1994年7月28日
發(fā)明者詹姆斯·格雷厄姆·霍奇, 菲利普·安德魯·霍利迪 申請人:索思鮑爾有限公司