一种用于电流输入装置自适应降低功耗的电路

技术领域

本发明涉及模拟量数据采集技术领域，特别是工业现场低功耗模拟量数据采集的系统，涉及一种用于电流输入装置自适应降低功耗的电路。

背景技术

传统工业数据采集现场利用两线制电流输入装置将温度、压强、风速等非电物理量转化为4～20mA模拟电流信号进行传输时，通常需要为电流输入装置提供24V固定供电电压。直接为电流输入装置提供24V供电电压的供电方式比较简单直接，而且存在以下两个问题：1)电流输入装置在工作时会产生较高功耗；2)无法灵活调节电流输入装置的供电电压。

专利号：CN201622146U，专利名称：低功耗两线制4～20mA输出压力变送器电路，适用于野外无市电供应的压力变送器控制系统和便携式或手持式压力仪表,包括恒流源电路、基准电压源、信号处理单元、反向和过压保护，该电路包括：设置零位调节电路、满度调节电路、V/I转换电路，外部4～15VDC电源连接反向和过压保护，反向和过压保护连接基准电压源，基准电压源与恒流源电路相连，恒流源电路连接传感器，传感器与信号处理单元连接，信号处理单元分别与零位调节电路、满度调节电路和V/I转换电路连接得到4～20mA电流，电源4～15VDC与V/I转换电路相连，基准电压源还与信号处理单元相连。成本低、供电可低至4VDC，精度可达到0.5％以内。

专利号：CN103542880A，专利名称：一种低功耗的多参数两线制变送器,包括：多个信号测量及处理电路,每一信号测量及处理电路的输入端用于连接一传感器,当每一信号测量及处理电路工作时,处理所述传感器的测量信号并输出经处理的测量信号；多个电源控制电路,一一对应地连接所述多个信号测量及处理电路,根据一组控制信号动态地控制所述多个信号测量及处理电路工作或停止；微控制器,连接所述多个信号测量及处理电路及所述多个电源控制电路,所述微控制器发出所述一组控制信号至所述电源控制电路,接收工作中的信号测量及处理电路所输出的所述经处理的测量信号,并输出测量值至电流输出模块；以及电流输出模块,连接所述微控制器,将所述测量值转换为电流信号输出。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种用于电流输入装置自适应降低功耗的电路，包括MCU模块；

接收MCU模块的输出的调节信号，输出可调节的反馈分压电阻的数字电位器；

接收所述数字电位器传送的可调节的反馈分压电阻，输出可调节供电电压的升压电路模块；

接收所述升压电路模块传送的可调节供电电压，利用4～20mA电流信号为自身提供电能，将非电物理量转化为4～20mA电流信号进行输出的电流输入装置；

接收所述电流输入装置传送的4～20mA电流信号和供电电压，进行所述电流输入装置的对工作区分类，得到分类结果，对分类结果进行输出的SVM分类器；

接收所述SVM分类器传送的电流输入装置的工作区分类结果，对电流输入装置的供电电压进行调节的自适应调节电压模块；

接收所述电流输入装置传送的4～20mA模拟电流信号，输出模拟电压信号的采样电阻；

接收所述采样电阻输出的模拟电压信号及A/D参考电压输出模块输出的转换参考电压，进行数字信号转换及输出的MCU模块；

为所述MCU模块和所述升压电路提供工作电源的电源模块。

进一步地：接收所述电流输入装置传送的4～20mA电流信号和供电电压，进行所述电流输入装置的对工作区分类，得到分类结果，对分类结果进行输出的SVM分类器的具体工作过程如下：

S1：定义所述电流输入装置的工作区分为：正常工作区、临界工作区和非正常工作区；

S2：提取电流输入装置的供电电压值和输入电流值作为特征向量，输入到SVM分类器模型进行预测，得到电流输入装置的工作区类别。

进一步地，所述接收所述SVM分类器传送的电流输入装置的工作区分类结果，对电流输入装置的供电电压进行调节的自适应调节电压模块的工作过程如下：

设U(t)为电流输入装置在t时刻的供电电压值，则U(t)在时间区间t+Δt上的变化情况如式(3)：

U(t+Δt)-U(t)＝r·U(t)·Δt (3)

式(3)中r为电压增长率；

令Δt→0，得到电流输入装置的供电电压随时间t变化的微分方程模型，如式(4)和式(5)：

dU/dt＝r·U (4)

U(t

式(5)中t

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种用于电流输入装置自适应降低功耗的电路，通过电流输入装置的供电电压值和输入电流值作为特征向量，将特征向量导入到SVM分类器(特征空间中最大化间隔的线性分类器)模型进行训练预测出电流输入装置的工作区类别，最终SVM分类器模型准确率可达93％以上，避免了分类器模型在预测电流输入装置工作区类别时出现大量预测偏差的问题，根据工作区类别自适应调节数字电位器内部寄存器的值，再通过调节电流输入装置的供电电压，使电流输入装置最终工作在临界区，可将系统整体功耗降低50％以上，适用于工业现场环境复杂、功耗要求严格的电路控制系统，利用SVM分类器模型预测结果来调节电流输入装置供电电压的方式较为灵活，可以有效地降低电流输入装置工作时的功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的电路原理方框图；

图2为本发明的SVM分类器模型训练程序流程图；

图3为本发明自适应调节电流输入装置供电电压的程序流程图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

图1为本发明的电路原理框图，一种用于电流输入装置自适应降低功耗的电路，主要包括电源模块、MCU模块、数字电位器、升压电路模块、电流输入装置、SVM分类器、A/D转换子模块、A/D参考电压输出模块电源模块和自适应调节电压模块；

所述数字电位器接收MCU模块的输出的调节信号，输出可调节的反馈分压电阻；

所述数字电位器具有256个抽头，抽头位置呈线性变化，静态工作电流最大值为1μA，每个数字电位器都由一个可变电阻和一个用来决定抽头位置的8位(256级)数据寄存器组成。数字电位器工作在变阻器模式时，用作双端点电阻元件，表达式(1)和(2)可用于计算数字电位器端电阻：

式(1)、(2)中，R

所述升压电路模块接收所述数字电位器传送的可调节的反馈分压电阻，输出可调节供电电压；

所述电流输入装置接收所述升压电路模块传送的可调节供电电压，利用4-20mA电流信号为自身提供电能，具有宽电压适应能力、低功耗、电源保护、过流保护等特点，将温度、压力、风速等非电物理量转化为4～20mA电流信号进行输出；所述电流输入装置采用两线制；

所述SVM分类器接收所述电流输入装置传送的4～20mA电流信号和供电电压，进行所述电流输入装置的对工作区分类，得到分类结果，对分类结果进行输出；所述SVM分类器是特征空间中最大化间隔的线性分类器；

所述自适应调节电压模块接收所述SVM分类器传送的电流输入装置的工作区分类结果，对电流输入装置的供电电压进行调节；

所述采样电阻接收所述电流输入装置传送的4～20mA电流模拟信号，输出可变电压；

所述MCU模块接收所述采样电阻输出的可变电压及A/D参考电压输出模块输出的转换参考电压，进行数字信号转换及输出；

所述电源模块为所述MCU模块和所述升压电路提供电源。

所述MCU模块包括A/D转换子模块，接收所述A/D参考电压输出模块输出的转换参考电压；

进一步的，接收所述电流输入装置传送的4～20mA电流信号和供电电压，进行所述电流输入装置的对工作区分类，得到分类结果，对分类结果进行输出的SVM分类器的具体工作过程如下：

S1：定义所述两线制电流输入装置的工作区分为：正常工作区、临界工作区和非正常工作区；

S2：提取电流输入装置的供电电压值和输入电流值作为特征向量，输入到SVM分类器模型进行预测，得到电流输入装置的工作区类别；

进一步地，所述接收所述SVM分类器传送的电流输入装置的工作区分类结果，对电流输入装置的供电电压进行调节的自适应调节电压模块的工作过程如下：

设U(t)为电流输入装置在t时刻的供电电压值，则U(t)在时间区间t+Δt上的变化情况如式(3)：

U(t+Δt)-U(t)＝R·U(t)·Δt (3)

式(3)中r为电压增长率；

令Δt→0，得到电流输入装置的供电电压随时间t变化的微分方程模型，如式(4)和式(5)：

dU/dt＝r·U (4)

U(t

式(5)中t

图2为本发明提供的SVM分类器模型训练程序流程图；SVM分类器模型训练的过程如下：

S1：对电流输入装置的供电电压和输入电流数据进行预处理，主要包括数据采集、数据清洗、数据变换等操作，并将数据集划分为训练数据集和测试数据集；

S2：向SVM分类器模型导入训练集数据；

S3：提取电流输入装置的供电电压及输入电流作为特征向量；

S4：训练SVM分类器，建立SVM分类器模型；

S5：向SVM分类器模型导入测试集数据，对SVM分类器模型进行测试；

S6：对SVM分类器模型进行评估，得到SVM分类器模型的准确率；

S7：判断SVM分类器模型的准确率是否被接受，若SVM分类器模型的准确率超过90％，则结束本次训练；反之，当SVM分类器模型的准确率≤90％，则返回S2，继续对SVM分类器进行训练。

图3为本发明自适应调节电流输入装置供电电压的程序流程图。自适应调节电流输入装置供电电压的程序如下：

S1：对主MCU模块的时钟、GPIO、SPI、ADC、DMA等初始化；

S2：开启本次电流输入装置的供电电压数据进行传输；

S3：调节数字电位器内部寄存器的值；

S4：检测实时数据(U

S5：将电流输入装置的供电电压和输入电流数据(U

S6：输出SVM分类器的分类结果a；

S7：若a＝1，代表电流输入装置处于正常工作区，此时需要降低电流输入装置的供电电压；若a＝-1，代表电流输入装置处于非正常工作区，此时需要提高电流输入装置的供电电压；表达式(9)可用于调节电流输入装置的供电电压：

式(6)中U(t)为表达式计算结果，是电流输入装置的供电电压值；U

S7：将新数据(U(t),I)导入SVM分类器，得到预测结果b；

S8：若b＝-a，代表SVM分类器预测结果出现偏差，需要进行电压校准；若b≠-a，则返回S3，调节电流输入装置的供电电压；

S9：若a＝0，代表电流输入装置处于临界工作区，此时无需调节电流输入装置的供电电压；

S10：判断电压U是否处于电流输入装置临界区工作电压范围之内，U

S11：结束本次数据传输。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。