阅读说明：本技术 一氧化碳警报监督 (Carbon monoxide alarm supervision ) 是由 W·金 J·库洛贝特 E·约翰逊 于 2018-07-31 设计创作，主要内容包括：使用专用集成电路(ASIC)和微控制器监控和测试一氧化碳(CO)警报器。其中电化学CO传感器与其检测电路隔离并且其上改变了电压电荷,则CO传感器重新连接到检测电路,其中CO传感器上的电压电荷随着时间的推移而恢复到平衡状态。从电压对时间的结果中确定CO传感器和CO检测电路是否正常工作。所有测试和控制电路均可由ASIC设置。(Carbon monoxide (CO) alarms are monitored and tested using an Application Specific Integrated Circuit (ASIC) and a microcontroller. Wherein the electrochemical CO sensor is isolated from its detection circuit and has a voltage charge altered thereon, the CO sensor is reconnected to the detection circuit wherein the voltage charge on the CO sensor returns to an equilibrium state over time. From the voltage versus time results, it is determined whether the CO sensor and CO detection circuit are operating properly. All test and control circuits can be provided by the ASIC.)

一氧化碳警报监督

相关专利申请

本申请要求2017年8月28日提交的共同拥有的美国临时专利申请62/542,482的优先权；该临时专利申请据此以引用方式并入本文以用于所有目的。

技术领域

本公开涉及一氧化碳检测，并且具体地涉及一氧化碳(CO)警报监督。

背景技术

美国安全试验所(UL)具有单站和多站一氧化碳警报的标准，UL-2034。在该UL标准中，要求监督一氧化碳(CO)警报的操作条件，如UL-2034的38.1.1段所概括。为了满足该标准，一些现有技术CO警报需要使用外部部件来隔离CO警报检测放大器。此外，其他CO警报监督解决方案仅限于创建当前的接收器。另外，其他解决方案可能需要相当长的时间才能运行，同时等待CO检测电路的输出端回到平衡状态。对于CO警报电路的完整诊断，这可能是多秒，或甚至多达10-15秒。

发明内容

因此，需要更好、更快速和更低成本的一氧化碳警报监督解决方案。

根据一个实施方式，用于一氧化碳警报监督的方法可包括以下步骤：使电化学一氧化碳传感器与一氧化碳运算放大器脱耦；使用电流源或接收器来改变电化学一氧化碳传感器上的电压电荷；将该一氧化碳运算放大器重新耦合到该电化学一氧化碳传感器；测量该一氧化碳运算放大器的输出端上的电压，直至其基本上不改变；评估所经过的时间，直至所述电压基本上不改变；以及从经过的时间确定该一氧化碳传感器和运算放大器电路是否可能正在工作。

根据该方法的另一个实施方式，可包括确定电化学一氧化碳传感器上的电压电荷是否可在预期范围内的步骤。根据该方法的另一个实施方式，可包括以下步骤：将所测量的电压和其时间存储在存储器中；以及评估其用于一氧化碳警报监督的时间电压分布。

根据该方法的另一个实施方式，确定电化学一氧化碳传感器上的电压电荷是否可能在预期范围内的步骤可包括以下步骤：测量耦合到电化学一氧化碳传感器的一氧化碳运算放大器的输入端之间的电压电荷；以及将所测量的电压电荷与预期范围进行比较。

根据另一个实施方式，用于一氧化碳警报监督的方法可包括以下步骤：在存储器中测量和存储来自一氧化碳运算放大器的输出端的初始电压；使电化学一氧化碳传感器与一氧化碳运算放大器脱耦；使用电流源或接收器来改变电化学一氧化碳传感器上的电压电荷；将一氧化碳运算放大器重新耦合到电化学一氧化碳传感器；将一氧化碳运算放大器的输出端上的电压与所存储的初始电压进行比较；确定直到一氧化碳运算的输出端上的电压中的第一个电压可约等于初始电压的时间；以及从该时间确定一氧化碳传感器和运算放大器电路是否可能正在工作。

根据该方法的另一个实施方式，可包括确定电化学一氧化碳传感器上的电压电荷是否可在预期范围内的步骤。根据该方法的另一个实施方式，可包括以下步骤：将一氧化碳运算放大器的输出端上的电压和其时间存储在存储器中；以及评估其用于一氧化碳警报监督的时间电压分布。

根据该方法的另一个实施方式，确定电化学一氧化碳传感器上的电压电荷是否可在期望范围内的步骤可包括以下步骤：测量耦合到电化学一氧化碳传感器的一氧化碳运算放大器的输入端之间的电压电荷；以及将所测量的电压电荷与预期范围进行比较。

根据另一个实施方式，具有监督作用的一氧化碳警报器可包括：具有第一端子和第二端子的电化学一氧化碳传感器；运算放大器，该运算放大器具有分别耦合到电化学一氧化碳传感器的第一端子和第二端子的第一输入端和第二输入端，其中运算放大器具有可被启用和禁用的输出端，由此当输出端可能被禁用时，其可能处于高阻抗；电压基准源，该电压基准源具有耦合到电化学一氧化碳传感器的第一端子和运算放大器的第一输入端的输出端；反馈电阻器，该反馈电阻器耦合在运算放大器的输出端和第二输入端之间；第一电流源或接收器，该第一电流源或接收器耦合到电化学一氧化碳传感器的第一端子和运算放大器的第一输入端，以用于对电化学一氧化碳传感器进行充电或放电，其中第一电流源或接收器输出端可被禁用和启用；多路复用器，该多路复用器具有耦接至第一输入端和第二输入端以及运算放大器的输出端的输入端，以及适于耦合到微控制器的第一模拟输入端的输出端；运算放大器的输出端可耦合到微控制器的第二模拟输入端；管理器警报控制器，其具有耦合到多路复用器、运算放大器和电流源的控制输出端，以及耦合到微控制器的输入端；其中在一氧化碳警报器的测试期间，可禁用运算放大器，并且可启用第一电流源或接收器，由此运算放大器的输出端可向微控制器提供电压，该电压可代表电压电荷达到平衡的同时电化学一氧化碳传感器的第一端子和第二端子之间的电压电荷；并且在正常一氧化碳监测期间，可启用运算放大器，并且可禁用第一电流源或接收器，由此运算放大器的输出端向微控制器提供电压，该电压可代表电化学一氧化碳传感器的第一端子和第二端子之间的电压电荷。

根据另一个实施方式，第二电流源或接收器可耦合到电化学一氧化碳传感器的第二端子和运算放大器的第二输入端，以用于对电化学一氧化碳传感器放电或充电，其中第二电流源或接收器输出端可被禁用和启用。根据另一个实施方式，微控制器可控制第一电流源或接收器、多路复用器和监督器警报控制器。根据另一个实施方式，具有微控制器的存储器可存储电压和时间值。

根据另一个实施方式，专用集成电路(ASIC)可包括运算放大器、电压基准源、第一电流源或接收器以及多路复用器。根据另一个实施方式，微控制器可包括运算放大器、电压基准源、第一电流源或接收器以及多路复用器。根据另一个实施方式，运算放大器可包括用于启用和禁用其输出端的三态电路。根据另一个实施方式，运算放大器可包括用于启用和禁用其输出端的开路集电极电路。根据另一个实施方式，可包括耦合在运算放大器和反馈电阻器之间的开关以及用于启用和禁用其输出端的多路复用器。根据另一个实施方式，开关可由监督器警报控制器来控制。

附图说明

通过参考以下结合附图的描述，可以获得对本公开的更完整的理解，其中：

图1示出了具有根据本公开的一个特定示例性实施方式的微控制器警报监督作用的一氧化碳检测器的示意框图；

图2示出了根据本公开的教导内容的一氧化碳检测器的操作测试的示意性电压与时间图，其示出了其正常操作；并且

图3和图4示出了根据本公开的具体示例性实施方式的一氧化碳警报监督的示意性程序流程图。

虽然本公开易受各种修改形式和替代形式的影响，但是其特定示例实施方案已经在附图中示出并且在本文中详细描述。然而，应当理解，本文对特定示例性实施方案的描述并非旨在将本公开限于本文所公开的形式。

具体实施方式

本公开的实施方式包括用于诊断一氧化碳(CO)传感器、检测器、警报器和监视器中的若干常见故障模式的系统和方法。故障模式可能是由于电线、元件或外部物体损坏造成的。故障可也由部件和/或印刷电路板导体中的短路引起。本公开的实施方式可还包括用于表征CO传感器、检测器、警报器和监视器的总体状况和运行状况的系统和方法。本公开的实施方式可用于满足UL-2034中38.1.1段的要求。

本公开的实施方式可通过向CO传感器选择性地输送电流或接收电流来诊断CO传感器的运行状况或状态。此外，本公开的实施方式可被配置成将与CO传感器相关联的运算放大器的输出端进行三态化。此外，本公开的实施方式可被配置成在诊断检查期间监测与CO传感器相关联的运算放大器的输入端。这可提供更快的方法来量化CO传感器的运行状况和性能。

本公开的实施方式可利用集成电路片上测试特征来实现。该特征可允许CO运算放大器与外部CO传感器的分离。由此，可执行自诊断测试。片上特征可嵌入混合信号(模拟和数字)集成电路中，例如微控制器、专用集成电路(ASIC)等，下文称为“微控制器”。用于测试CO传感器和警报器的测试顺序可利用微控制器来实现。测试顺序可以是可定制的。此外，可利用任何合适的总线(诸如，例如但不限于串行***接口(SPI)总线)来访问该特征和其他特征。在CO警报的测试中使用的测试电压可被缓冲。

本公开的实施方式可包括改变电化学CO传感器上的电压电荷。可以用片上电流源或接收器来执行改变电压电荷。随后，可表征CO传感器的平衡操作的重新建立。该特征可示出CO传感器的运行状况或状态。当向CO传感器施加充电或放电电流时，本公开的实施方式可内部隔离CO运算放大器的反馈路径。然后可重新建立反馈路径以允许恢复CO传感器的电压电荷平衡。可在施加充电电流或放电电流期间测量CO运算放大器的输入端处的电压(禁用CO运算放大器输出端)。然后可在电化学CO传感器的电压电荷平衡恢复期间测量CO运算放大器(已启用输出端)的输入端和输出端的电压。

通过隔离CO运算放大器的输出端(例如，三态)，然后改变CO传感器与内部电流源或接收器的电荷平衡，系统可检查CO传感器以及其相关电路的状况。在改变该电荷平衡的同时，可以监测CO传感器端子之间相对于CO传感器的电容的充电/放电时间的电压变化，以达到电压平衡，该电压平衡可在CO运算放大器的输入端处测量。达到电容电压平衡的返回时间是传感器的运行状况以及电路的内部互连性两者的函数，并且提供CO检测电路性能的特征信号。可以设想并且在本公开的范围内，开关(图1中未示出)(例如，FET开关)可用于隔离CO运算放大器的输出端。

在CO传感器上的电荷平衡被改变之后，然后通过重新启用CO运算放大器，CO检测电路将重新建立随时间变化的电荷平衡。随着时间的推移，电荷平衡的这种重新建立将可在CO运算放大器的输出性能中观察到。因此，可随时间推移评估CO运算放大器的输出性能以表征CO传感器和检测电路的运行状况。另外，CO运算放大器的输入端(CO传感器上的电压电荷)可也在此期间被评估。

现在参见附图，示意性地示出了示例性实施方案的细节。附图中的相似元件将由相似数字表示，并且类似的元件将由具有不同的小写字母后缀的相似数字表示。

现在参见图1，其示出了根据本公开的具体示例性实施方式的具有微控制器警报监督的一氧化碳检测器的示意性框图。具有微控制器警报监督的一氧化碳检测器(一般由数字100表示)可包括具有存储器的微控制器104、一氧化碳(CO)传感器106、抗偏振晶体管108、监督器警报控制器110、多路复用器和缓冲器112、一氧化碳运算放大器114、电流源/接收器116、电流源/接收器118、缓冲放大器120、电压基准器122和反馈电阻器124。专用集成电路(ASIC)102(或类似)可被配置为设置监督器警报控制器110、多路复用器和缓冲器112、一氧化碳运算放大器114、电流源/接收器116、电流源/接收器118、缓冲放大器120和电压基准源122。可以设想并且在本公开的范围内，ASIC 102的功能可作为微控制器104的一部分包括在内并且被配置在一个集成电路组件中。

监督器警报控制器110通过控制总线(CTRL)，例如但不限于串行***接口(SPI)，从微控制器104接收指令。利用这些指令，其可控制多路复用器和缓冲器112、一氧化碳运算放大器114、电流源/接收器116和电流源/接收器118。CO运算放大器114的输出端可利用开关被启用或进入高阻抗状态(例如，三态)、开路集电极无效的等等，从而有效地断开来自电路的输出。可启用或禁用电流源/接收器116和118，并且当启用时，其电流值可被编程。可以与CO运算放大器114的输出端类似的方式来控制电流源/接收器116和118的输出端。电流源/接收器116和/或118可用于增加或减小CO传感器106上的电压电荷。

多路复用器和缓冲器112选择性地将运算放大器114的输出端和输入端处的电压耦合并且缓冲到微控制器104的模拟输入端(BUF_OUT)。运算放大器114的输出端还耦合到微控制器104的另一个模拟输入端(CO_OUT)。

电压基准源122为CO传感器106提供电压基准源，并且由具有耦合到CO传感器106的计数器(C)端子的输出端的缓冲放大器120缓冲。CO传感器106可以是电容式的电化学CO传感器，并且保持在检测到CO气体时可改变的电压电荷。CO传感器106上的电压电荷的变化被耦合到CO运算放大器114并且被其放大。电化学CO传感器可以是，例如但不限于Figaro的型号TGS5042、TGS5141等。

在一氧化碳检测器100的正常操作期间，CO传感器106上的电压电荷处于平衡状态，如由CO运算放大器114的输出端上的某个电压所示。该平衡输出电压耦合到微控制器104的模拟输入端(CO_OUT)，其中其电压的足够变化可表示CO气体检测事件。CO运算放大器114被配置为具有增益设定反馈电阻器124的标准差分输入端运算放大器。抗偏振晶体管108可也与CO运算放大器114的差分输入端和CO传感器106的工作(C和W)端子并联连接。在其正常操作期间，电流源/接收器116和118与CO检测电路有效地脱耦。

在一氧化碳检测器100的测试模式操作期间，CO运算放大器114的输出端可被禁用并且进入高阻抗状态，从而有效地使运算放大器114与CO检测电路脱耦。运算放大器114的输入端为高阻抗，因此基本上不会产生电路电压的负载。在测试期间，当电流源/接收器116被启用为电流源时，可将充电电流注入到CO传感器106的C端子中，有效地提高C端子处相对于其W端子处的电压的电压。当电流源/接收器118被启用为电流接收器时，可从CO传感器106的W端子移除放电电流，有效地降低W端子处相对于C端子处的电压的电压。电流源/接收器116和118的源极和接收器配置可被反向，以便有效地降低C端子处的电压和/或增加W端子处的电压。电流源/接收器116和118的配置和操作可通过监督器警报控制器110通过例如经由串行SPI总线从微控制器104接收控制信号(CTRL)来控制。

CO传感器106的C端子和W端子上的电压可随时间推移由微控制器104监测。当CO运算放大器114输出端被禁用并且然后被重新启用时，可监测C端子电压和W端子电压。当电流源/接收器116或电流源/接收器118被禁用(脱耦)并且CO运算放大器114的输出端被重新启用时，CO传感器106上的电压电荷将随着时间的推移而重新平衡。电压对时间表可在微控制器104的存储器(未示出)中实现，并且用于验证CO传感器106的正确操作和一氧化碳检测器100的总体操作。

现在参见图2，其示出了根据本公开的教导内容的一氧化碳检测器的操作测试的示意性电压对时间图，其示出了其正常操作。将灌电流脉冲施加到CO传感器106的端子约五(5)秒，然后在其返回至平衡时超过约七(7)秒时测量CO传感器106的C端子和W端子之间的电压。平衡电压为约0.3伏，然后在约-2.1微安的灌电流脉冲之后跳转至超过3伏特。

现在参见图3和图4，其示出了根据本公开的具体示例性实施方式的一氧化碳警报监督的示意性程序流程图。在CO运算放大器114的输出端被禁用之后，电流源或接收器脉冲使CO传感器106的电压平衡不平衡。然后，重新启用CO运算放大器114输出端，并且随着时间的推移观察CO传感器106的C端子和W端子之间的电压电荷的变化。当将电流脉冲施加到其CO传感器106之后，将电压电荷重新平衡回到平衡时，正确操作的CO检测器将具有特性电压/时间响应。

图3示出了用于改变CO传感器106与电流源/接收器116和/或电流源/接收器118的电压电荷的示意性程序流程图，然后测量CO运算放大器114随时间推移的输出电压，同时表征了在电化学CO传感器106上重新建立电压电荷平衡。步骤302启动测试过程。步骤304将样本计数n设置为零(0)。步骤308禁用CO运算放大器114的输出端。步骤310启用电流源或接收器116或118一段时间S。在步骤312中，CO传感器106上的电压电荷由电流源或接收器116或118充电或放电，从而导致其上的电压电荷变得不平衡。在步骤314中，电流源或接收器116或118被禁用，从而导致CO传感器106的充电或放电。

在步骤316中，CO运算放大器114的输出端可重新启用的，其中包括CO运算放大器114、CO电压基准源122和反馈电阻器124的闭环反馈电路；迫使CO传感器106上的电压电荷回到均衡，例如，随着时间推移的静态电压值。在步骤318中，在时间T(n)处获取CO运算放大器114的输出端处的电压样本，并且在可选步骤320中，可将时间T(n)处的电压样本存储在存储器，例如，图1所示的微控制器存储器中。在步骤322中，n增加1。步骤324检查先前的时间电压样本是否与当前电压样本具有大约相同的值。如果不是，则在步骤318中获取下一个电压样本并且在步骤320中存储。如果是，则CO传感器106上的电压电荷已达到平衡，并且步骤326评估经过的时间T(n)以确定在预期时间段内是否已达到静态电压充电状态。可选的另外的步骤328可用于确定CO检测器106上的电压电荷是否为预期值，例如，测量CO检测器106的C端子和W端子之间的电压。如果步骤326和328的结果为是，则在步骤330中，CO检测器100已被确定为可操作的。如果不是，则CO检测器100电路有缺陷。

图4示出了用于改变CO传感器106与电流源/接收器116和/或电流源/接收器118的电压电荷的示意性程序流程图，然后测量CO运算放大器114随时间推移的输出电压，同时表征了在电化学CO传感器106上重新建立电压电荷平衡。步骤402启动测试过程。步骤406测量CO运算放大器114的输出端上的电压(并且存储在例如微控制器104的存储器中)。步骤408禁用CO运算放大器114的输出端。步骤410启用电流源或接收器116或118一段时间S。在步骤412中，CO传感器106上的电压电荷由电流源或接收器116或118充电或放电，从而导致其上的电压电荷变得不平衡。在步骤414中，电流源或接收器116或118被禁用，从而导致CO传感器106的充电或放电。步骤404将样本计数n设置为零(0)。

在步骤416中，CO运算放大器114的输出端是可重新启用的，其中包括CO运算放大器114、CO电压基准源122和反馈电阻器124的闭环反馈电路；迫使CO传感器106上的电压电荷回到均衡，例如，随着时间推移的静态电压值。在步骤418中，在时间T(n)处获取CO运算放大器114的输出端处的电压样本，并且在步骤420中，将时间T(n)处的电压样本存储在存储器，例如，图1所示的微控制器存储器中。在步骤422中，n增加1。步骤424检查在T(n)处的当前电压样本是否与在步骤406中获取的存储电压值大致相同。如果不是，则在步骤418中获取下一个电压样本并且在步骤420中存储。如果是，则CO传感器106上的电压电荷已达到平衡，并且步骤426评估经过的时间T(n)以确定在预期时间段内是否已达到静态电压充电状态。可选的另外的步骤428可用于确定CO检测器106上的电压电荷是否为预期值，例如，测量CO检测器106的C端子和W端子之间的电压。如果步骤426和428的结果为是，则在步骤430中，CO检测器100已被确定为可操作的。如果不是，则CO检测器100电路有缺陷。

已根据一个或多个优选的实施方案描述了本发明，并且应当理解，除了明确陈述的那些(例如，制造方法、按过程的产品等)之外，许多等同物、替代物、变化形式和修改是可能的并且在本发明的范围内。