CN102520211B

CN102520211B - 用于格雷码盘风向传感器的故障检测装置

Info

Publication number: CN102520211B
Application number: CN 201110456601
Authority: CN
Inventors: 郭颜萍; 于慧彬; 王平; 初伟先; 刘涛; 李小峰; 李春立
Original assignee: Oceanographic Instrumentation Research Institute Shandong Academy of Sciences
Current assignee: Oceanographic Instrumentation Research Institute Shandong Academy of Sciences
Priority date: 2011-12-31
Filing date: 2011-12-31
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2031-12-31
Also published as: CN102520211A

Abstract

本发明公开了一种用于格雷码盘风向传感器的故障检测装置，包括风向接口电路，用于连接格雷码盘风向传感器，接收格雷码盘风向传感器采集输出的格雷码信号；处理器，连接所述的风向接口电路，接收格雷码信号，并判断每个码道是否都有“0”、“1”两个状态，进而生成故障检测结果输出；显示单元，连接所述的处理器，接收处理器输出的故障检测结果并进行显示。本发明采用软件设计与硬件电路相配合的方式，实现了对格雷码盘风向传感器故障的快速检测，通过及时发现该类风向传感器的故障所在，进而可以改善风向检测数据的内在质量，提高风向监测结果的准确性。该故障检测装置自动化程度高，人机界面友好，提高了风向传感器的故障检测和维修效率。

Description

用于格雷码盘风向传感器的故障检测装置

技术领域

本发明属于故障检测技术领域，具体地说，是涉及一种针对格雷码盘风向传感器设计的一种故障检测装置。

背景技术

目前，在风向检测方面应用效果相对较好而且应用范围比较广的检测装置是光电式编码盘，即格雷码盘，其优点是风向检测的准确度和分辨率比较高，而且具有无接触摩擦、寿命长等特点。由于用于检测风向的传感器一般安装于户外，长期经受风吹日晒和雨淋，工作环境非常恶劣，因此导致风向传感器时常发生故障，不能保持长期稳定的运行。而且，这些风向传感器在发生故障后，检测到的风向数据仍然在用户终端上输出，只是缺少某些方位，因此，气象观测员很难及时察觉，往往在故障出现后经过了较长时间，通过对这一段时间内采集到的数据进行对比和分析后才能发现。因此，故障的隐蔽性很强，这也大大影响了数据采集的真实性和可信度。

基于此，如何设计一种故障检测装置，实现对格雷码盘风向传感器的快速检测，以提高风向传感器的维修效率，为用户终端提供准确、可靠的风向检测数据，是目前风向监测领域急需解决的一项主要问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于格雷码盘风向传感器的故障检测装置，以实现对格雷码盘风向传感器故障的快速、准确判断。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于格雷码盘风向传感器的故障检测装置，用于对格雷码盘风向传感器进行故障检测，包括：

风向接口电路，用于连接格雷码盘风向传感器，接收格雷码盘风向传感器采集输出的格雷码信号；

处理器，连接所述的风向接口电路，接收格雷码信号，并判断每个码道是否都有“0”、“1”两个状态，进而生成故障检测结果输出；

显示单元，连接所述的处理器，接收处理器输出的故障检测结果并进行显示。

在根据采集到的格雷码信号进行风向传感器的故障判定过程中，优选采用以下两种方式：

其一是，所述处理器在接收格雷码信号的过程中，每次接收到一个格雷码信号后，就对当前已经接收到的所有格雷码信号进行对比分析，若检测出每个码道都已出现了“0”、“1”两个状态，则直接控制显示单元输出无故障的检测结果；若通过对格雷码盘风向传感器的风向标绕轴旋转一周后输出的各个格雷码信号进行对比分析后发现，仍然有某个码道始终只有“0”或者“1”一个状态出现，则输出有故障的检测结果。

其二是，首先让所述处理器采集格雷码盘风向传感器的风向标绕轴旋转一周的期间内输出的所有格雷码信号，形成一组格雷码，然后根据该组格雷码判断每个码道是否都有“0”和“1”两个状态，若有，则输出无故障的检测结果；否则，输出有故障的检测结果。

进一步的，所述处理器在判定格雷码盘风向传感器有故障时，根据格雷码信号中仅有“0”或者“1”一个状态的信号所对应的码道，确定故障码道的位置，并通过显示单元输出，实现对故障码道的定位。

又进一步的，在所述故障检测装置中还设置有指令输入单元，接收外部输入的风向传感器的风向标已旋转一周的监测指令，并传输至所述的处理器，以指导处理器进入故障结果的判定过程。

为了避免故障检测装置长时间工作在对某一台风向传感器进行故障检测的过程中，优选为所述故障检测装置提供一个采样周期，所述处理器通过指令输入单元接收外部输入的采样设定时间，在采样设定时间到达后，对采集到的各个格雷码信号进行分析，以判断风向传感器是否故障。

优选的，所述显示单元优选采用液晶显示屏，通过LCD控制器连接所述的处理器；所述指令输入单元为键盘，包括多个功能按键，并形成n*m矩阵式按键阵列，其中，n条行线与处理器的n个中断接口对应连接，m条列线与处理器的m个IO口对应连接。由此一来，所述处理器仅在接收到中断信号后，再对按键电路进行扫描，以进一步确定出是哪个功能按键被触发，由此设计可以起到节能降耗的作用。

再进一步的，在所述故障检测装置中还设置有供电单元，包括电源适配器、锂电池组、稳压模块、逆变器、DC/DC变换器和数字电位器；所述电源适配器接收外部交流供电，转换成直流电压后为锂电池组充电；通过锂电池组输出的直流电压经由稳压模块转换成低压直流电源分别为所述的处理器、逆变器、DC/DC变换器和数字电位器供电，通过逆变器逆变生成高压交流电源为液晶显示屏提供背光电源，通过DC/DC变换器转换生成的-24V直流电源输出至数字电位器，所述数字电位器在处理器的控制下将-24V直流电源变换成-10V至-24V可调的负电源，输出至液晶显示屏，为液晶显示屏提供对比度调整电压。

优选的，所述处理器通过SPI接口连接所述的数字电位器，根据外部输入的对比度调节指令改变数字电位器的滑片位置，并对数字电位器的滑片位置进行记录。

更进一步的，在所述风向接口电路中包含有N路分别由施密特整形电路和光电耦合器连接而成的信号传输通道，对应连接在格雷码盘风向传感器的N路码道信号输出端与处理器的N路输入接口之间，分别对格雷码盘风向传感器的各路码道输出的数字信号进行波形整形和隔离处理后，输出至所述的处理器。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的故障检测装置采用软件设计与硬件电路紧密配合的设计方式，实现了对格雷码盘风向传感器故障的快速检测和判断，通过及时发现该类风向传感器的故障所在，进而可以改善风向检测数据的内在质量，提高风向监测结果的准确性。本发明的故障检测装置自动化程度高，人机界面友好，大大提高了风向传感器的故障检测效率和维修效率。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的故障检测装置的电路整体架构图；

图2是图1中显示控制电路的一种实施例的电路原理框图；

图3是图1中风向接口电路的一种实施例的电路原理框图；

图4是图1中供电单元的一种实施例的电路原理框图；

图5是本发明所提出的故障检测装置所运行的故障检测程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

首先，介绍一下格雷码盘风向传感器的工作原理。

对于格雷码盘风向传感器来说，其感应器件通常为单翼式或者双翼式的风向标，风向的信号发生装置由格雷码盘以及位于码盘两侧与之相对的光电耦合器件组成。当风向变化时，风向标带动同轴的格雷码盘随风向标同步转动，进而产生格雷码。因为格雷码是一种循环码，任意二个相邻码之间只变化一位码，最大判读误差仅是一位码位的码，因此，采用格雷码的编码形式，可以消除采用二进制编码的码盘上相邻两个码数交界处的判读误差。

为描述简便、清楚起见，本实施例以7位格雷码盘为例介绍该类风向传感器的工作原理。在7位格雷码盘风向传感器中，其内部的格雷码盘由7个等分的同心圆组成，由内向外对7个码盘分别作2、2²、2³、2⁴、2⁵、2⁶、2⁷等分处理，每个同心圆上相邻部分分别作透光和不透光处理。在码盘的上下两侧设置7对光电耦合器件，每一对光电耦合器件中包含有一个发光二极管和一个光敏二极管，分别对应七个码盘（即七个码道），码盘透光部分，光线可以穿过；不透光部分，光线不能穿过。因此，当码盘跟随风向标转动时，就有七个不同明暗的格雷码信号输出。如果将透光信号定义为“1”，不透光信号定义为“0”，则由“0”、“1”组成的7位数码就表示风向标的位置。风向标在不同位置就有不同的7位数码相对应，因此，测出7位数码，就可以得知当前的风向。

根据风向传感器的工作原理，当某一码道上的发光二极管和光敏二极管正常工作时，该码道可以输出“0”和“1”两种信号；当该组发光二极管和光敏二极管出现故障时，则该码道只能输出“0”或者“1”中的一种信号。因此，如果风向标绕轴旋转一周，某个码道只能输出“0”或者“1”中的一种状态信号，即可判定该码道上的发光二极管和光敏二极管故障，以下简称该码道故障。

本实施例通过分析格雷码盘风向传感器的基本原理，设计了一种故障检测装置，以实现对该类风向传感器故障的快速判断。以下的风向传感器均指格雷码盘风向传感器。

首先，介绍一下故障检测装置的硬件构成，主要包括显示单元、风向接口电路和处理器等组成部分，参见图1所示。其中，风向接口电路用于连接待检测的风向传感器，接收风向传感器采样输出的格雷码信号，进而传输至处理器。所述处理器根据接收到的格雷码信号进行故障码道的检测、判断，具体来讲，若每一个码道均有“0”和“1”两种状态的信号出现，则认为该风向传感器没有故障；若发现某一个码道或者多个码道始终只有一种状态，例如只有“0”状态或者只有“1”状态的信号，则认为该码道出现故障。处理器将生成的故障检测结果经由显示单元输出，以方便检测人员观测。

为了清楚地反映故障检测结果，本实施例优选采用液晶显示屏来显示故障结果，如图1所示。所述处理器通过显示控制电路连接液晶显示屏，实现对液晶显示屏的驱动控制。

作为本实施例的一种优选设计方案，所述处理器优选采用单片机N1作为核心控制单元进行电路设计，如图2所示。所述显示控制电路优选采用LCD控制器N2外接缓存器N3的电路构建形式。所述单片机N1通过控制信号线（例如地址线PC0、读使能信号线/RD、写使能信号线/WR和片选信号线PC7）和数据线PA[7:0]连接LCD控制器N2，控制显示内容和显示方式。为了储存显示内容并进行显示，LCD控制器N2需要外接一至两片显示缓存器N3，辅助存储显示数据。所述LCD控制器N2通过其控制信号线和数据线XD[3:0]连接液晶显示屏LCD，采用四位数据并行发送的方式控制液晶显示屏显示故障检测结果。所述LCD控制器N2可以支持文字和图形的混合显示，并可将文字和图形的三层重叠显示、水平及垂直卷动等动态效果呈现在液晶显示屏上。

当然，所述显示单元也可以简单的采用指示灯来显示故障检测结果，例如使用红灯来指示风向传感器有故障的检测结果；使用绿灯来指示风向传感器正常的检测结果；还可以通过设置更多的指示灯来指出故障码道的位置等。本实施例并不仅限于以上举例。

对于风向接口电路，本实施例提出如图3所示的优选电路构建方式，包括N路由施密特整形电路和光电耦合器连接而成的信号传输通道，所述N根据风向传感器的码道信号输出端的个数确定。对于目前的风向传感器来说，每一个码道对应一个码道信号输出端，输出该码道的“0”、“1”状态信号，因此，对于7位格雷码盘风向传感器来说，所述N等于7。将N路信号传输通道一一对应地连接在风向传感器的N路码道信号输出端与单片机N1的N路输入接口（例如GPIO口）之间，通过每一码道输出的采样信号经由施密特整形电路进行波形整形处理后，通过光电耦合器件进行光电隔离，然后产生稳定的“0”、“1”状态信号输出至所述的单片机N1。在同一时刻通过风向传感器的N路码道信号输出端输出的N个“0”、“1”状态的数字信号即形成一个N位的格雷码信号，所述单片机N1根据接收到的格雷码信号即可识别出当前的风向。

为了实现检测人员对故障检测装置的干预和控制，在所述故障检测装置上还设置有指令输入单元，可以接收检测人员输入的例如风向传感器的风向标已旋转一周的监测指令或者采样设定时间的参数设定指令等，传输至所述的单片机N1，以指导单片机N1进入故障结果的判定过程。

作为本实施例的一种优选设计方案，优选采用键盘作为所述的指令输入单元，通过键盘接口电路连接所述的单片机N1，参见图1所示。在所述键盘中可以设置多个功能按键，例如上下左右四个方向键以及确认、返回、菜单、调光四个功能键，并形成2*4矩阵式按键阵列。为了达到节能降耗的设计目的，优选将按键阵列的2条行线对应连接在单片机N1的两个中断接口INT4、INT5上，如图2所示，4条列线分别与单片机N1的4个IO口PB4-PB7对应连接。采用中断和查询相结合的方式响应键盘，单片机N1可以仅在接收到中断信号后，再对按键电路进行扫描，以进一步确定出是哪个功能按键被触发，由此可以提高单片机N1的工作效率。

当然，所述功能按键也可以根据实际需要设置成其他数目，并形成n*m矩阵式按键阵列。此时，只需将n条行线与单片机N1的n个中断接口对应连接，m条列线与单片机N1的m个IO口对应连接即可。

此外，在所述故障检测装置中还设置有供电单元，如图1所示，接收外部的交流市电AC220V，并转换成装置中各用电负载所需的工作电压，为各用电负载供电。该供电单元可以实现自动充电、充满电后自动断电；在无交流电源可用的情况下采用自身锂电池组供电，能够满足便携式使用的需求。

作为本实施例的一种优选电路设计方案，所述供电单元优选设计成如图4所示的电路组建形式，包括电源适配器、锂电池组、稳压模块、逆变器、DC/DC变换器和数字电位器等主要组成部分。外部220V交流电源通过电源适配器转化为14.8V左右的直流电压，通过充电线路为锂电池组进行充电。在充电线路中可以进一步设计保护电路，用于防止过充、过放、过流和短路故障的发生。通过锂电池组输出的直流电压经由稳压模块转换成低压直流电源（例如5V）后，分别为单片机N1、逆变器、DC/DC变换器和数字电位器供电。由于LCD的背光显示需要特殊的电源，因此通过采用冷阴极背光电源逆变器将5V直流电源逆变成1300V交流电源，输出至LCD的背光灯管，为LCD提供背光电源。DC/DC变换器将接收到的5V直流电源转换成负电源，例如-24V直流电源，输出至数字电位器，以变换成-10V~-24V范围内电压可调的对比度调整电压，输出至LCD显示屏，以用于对LCD显示屏的对比度进行调节。为了实现对数字电位器输出电压的有效调节，利用单片机N1的SPI接口连接所述的数字电位器，代替机械调节方式，实现对数字电位器滑片位置的设置。由于在数字电位器内部没有EEPROM，因此，本实施例利用单片机N1中的EEPROM来记录数字电位器滑片的位置信息。考虑到用户可能将液晶屏的对比度调飞，因此程序中设计了通过键盘操作恢复出厂设置的功能。

当然，对于故障检测装置中的风向接口电路、键盘接口电路、显示控制电路和供电单元，本领域技术人员也可能会设计出其他多种不同形式的电路结构，本实施例对此不进行具体限制。

下面结合上述的硬件电路构成，对本实施例所提出的故障检测装置的软件处理流程进行具体阐述。

为了方便程序调试和提高可靠性，软件设计优选采用自顶向下，逐步求精的结构化、模块化设计方法。主程序流程图参见图5所示，具体包括以下步骤：

S501、系统初始化；

在故障检测装置上电后，首先进行系统的初始化设置，为程序中需要使用的变量赋初始值。

S502、查询键盘状态，判断是否有功能按键按下，如果有，立即进行按键处理；如果没有，则继续查询键盘状态。

S503、判断用户是否输入了开始故障检测的按键指令，若是，则执行后续步骤；否则，返回步骤502，继续查询键盘并响应用户的操作。

S504、采集风向传感器输出的格雷码信号。

S505、判断该格雷码信号是否与前一个格雷码信号相同，若相同，则认为是同一个格雷码，返回步骤S504继续采样；否则，执行后续步骤。

S506、记录该格雷码信号在各个码道上的“0”、“1”状态。

S507、判断每个码道是否都有“0”和“1”两个状态出现，若是，则输出无故障的检测结果；否则，执行后续步骤；

在本实施例中，单片机N1可以通过检测其连接风向接口电路的各路输入接口的输入电平状态，来判断每个码道是否都有“0”和“1”两个状态出现；即如果每一个输入接口都接收到了“0”和“1”两个电平状态，则认为码道正常，生成无故障的检测结果，通过液晶显示屏显示检测结果；否则，执行后续步骤，继续判断。

S508、判断风向传感器的风向标是否已经旋转了一周，若是，则输出有故障的检测结果，并指出故障码道的位置；否则，执行后续步骤；

在此步骤中，对于风向传感器的风向标是否旋转了一周可以利用用户通过键盘输入的监测指令判断，即如果已经接收到了用户输入的风向标已旋转一周的监测指令，则表示风向标在360度范围内旋转的过程中，某个或者某几个码道始终仅有“0”或者“1”一种状态出现，说明仅有“0”或者“1”一种状态出现的码道发生了故障，通过显示屏显示“风向传感器故障”的检测结果，并指出是哪个码道发生了故障，以方便用户监测和维修。

通常可以采用两种方法来实现风向标绕轴旋转一周。第一种方法是，通过使用长杆或者直接用手使风向标旋转一周；第二种方法是，在风向多变的时段进行故障检测，这样能够保证风向标在360度范围内各个位置均有停留。如果风向传感器的安装位置容易靠近，采用第一种方法比较方便；如果风向传感器的安装位置不易靠近，则需要采用第二种方法进行故障检测。总之，只要风向标绕轴旋转一周，无论快慢，故障检测装置都可以给出准确的检测结果。

S509、判断采样设定时间是否到达，若是，则输出有故障的检测结果；否则，返回步骤S504继续采样判断；

在本实施例中，为了避免故障检测装置长时间工作在对某一台风向传感器进行故障检测的过程中，在检测过程开始前，提示用户设定一个采样周期，通过键盘输入给单片机N1，在采样设定时间到达后，给出故障检测结果。

采用上述故障检测方法，当单片机N1在未接收到风向标旋转一周的监测指令并且在采样设定时间达到前，若已经检测到通过风向传感器输入的各个码道都有“0”和“1”两个状态出现，则可以直接通过显示屏输出无故障的检测结果，并结束检测过程，检测周期相对短。当然，也可以首先让单片机N1采集风向传感器的风向标绕轴旋转一周的期间内输出的所有格雷码信号，形成一组格雷码，然后根据该组格雷码判断每个码道是否都有“0”和“1”两个状态，若有，则输出无故障的检测结果；否则，输出有故障的检测结果。采用这种方法虽然对于无故障的风向传感器来说，检测周期相对略长，但是，对于有故障的风向传感器来说，检测周期相等，因此，也不失是一种较为理想的故障检测方式。

本实施例的故障检测装置和检测方法具有通用性，可以广泛应用在各种格雷码盘风向传感器的故障检测过程中，以便及时发现该类风向传感器的故障所在，进而改善风向监测数据的内在质量。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于格雷码盘风向传感器的故障检测装置，用于对格雷码盘风向传感器进行故障检测，包括：

2.根据权利要求1所述的故障检测装置，其特征在于：所述处理器在接收格雷码信号的过程中，每次接收到一个格雷码信号后，就对当前已经接收到的所有格雷码信号进行对比分析，若检测出每个码道都已出现了“0”、“1”两个状态，则直接控制显示单元输出无故障的检测结果；若通过对格雷码盘风向传感器的风向标绕轴旋转一周后输出的各个格雷码信号进行对比分析后发现，仍然有某个码道始终只有“0”或者“1”一个状态出现，则输出有故障的检测结果。

3、根据权利要求1所述的故障检测装置，其特征在于：所述处理器采集格雷码盘风向传感器的风向标绕轴旋转一周的期间内输出的所有格雷码信号，形成一组格雷码，然后根据该组格雷码判断每个码道是否都有“0”和“1”两个状态，若有，则输出无故障的检测结果；否则，输出有故障的检测结果。

4、根据权利要求2或3所述的故障检测装置，其特征在于：所述处理器在判定格雷码盘风向传感器有故障时，根据格雷码信号中仅有“0”或者“1”一个状态的信号所对应的码道，确定故障码道的位置，并通过显示单元输出。

5、根据权利要求1至3中任一项所述的故障检测装置，其特征在于：在所述故障检测装置中还设置有指令输入单元，接收外部输入的格雷码盘风向传感器的风向标已旋转一周的监测指令，并传输至所述的处理器。

6、根据权利要求5所述的故障检测装置，其特征在于：所述处理器通过指令输入单元接收外部输入的采样设定时间，在采样设定时间到达后，对采集到的各个格雷码信号进行分析，以判断格雷码盘风向传感器是否故障。

7、根据权利要求5所述的故障检测装置，其特征在于：所述显示单元为液晶显示屏，通过LCD控制器连接所述的处理器；所述指令输入单元为键盘，包括多个功能按键，并形成n*m矩阵式按键阵列，其中，n条行线与处理器的n个中断接口对应连接，m条列线与处理器的m个I/O口对应连接。

8、根据权利要求7所述的故障检测装置，其特征在于：在所述故障检测装置中还设置有供电单元，包括电源适配器、锂电池组、稳压模块、逆变器、DC/DC变换器和数字电位器；所述电源适配器接收外部交流供电，转换成直流电压后为锂电池组充电；通过锂电池组输出的直流电压经由稳压模块转换成低压直流电源分别为所述的处理器、逆变器、DC/DC变换器和数字电位器供电，通过逆变器逆变生成高压交流电源为液晶显示屏提供背光电源，通过DC/DC变换器转换生成-24V直流电源输出至数字电位器，所述数字电位器在处理器的控制下将-24V直流电源变换成-10V至-24V可调的负电源，输出至液晶显示屏，为液晶显示屏提供对比度调整电压。

9、根据权利要求8所述的故障检测装置，其特征在于：所述处理器通过SPI接口连接所述的数字电位器，根据外部输入的对比度调节指令改变数字电位器的滑片位置，并对数字电位器的滑片位置进行记录。

10、根据权利要求1至3中任一项所述的故障检测装置，其特征在于：在所述风向接口电路中包含有N路分别由施密特整形电路和光电耦合器连接而成的信号传输通道，对应连接在格雷码盘风向传感器的N路码道信号输出端与处理器的N路输入接口之间，分别对格雷码盘风向传感器的各路码道输出的数字信号进行波形整形和隔离处理后，输出至所述的处理器。