CN103900625A - 一种危化品指针式仪表的数字接口方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种危化品指针式仪表的数字接口方法及系统，属于智能仪表技术领域。一种危化品指针式仪表的数字接口系统，其特征是，处理器单元嵌入光电转换单元信号和危化品指针式仪表指针示值信号的转换算法。一种危化品指针式仪表的数字接口方法，其特征是，包含校准模块和数据读取模块，较准模块修正危化品指针式仪表数字接口读出值，并将修正参数存入存储单元，处理器单元获取光电转换单元中指针位置信号，和所述的修正参数相关联，换算成危化品指针式仪表指针示值的数字信号。本发明的效果和益处是将光学非接触式测量技术引入到危化品指针式仪表指针示值的识读中，实现危化品的网络化监控，从而提高危化品生产、存储、运输、使用等各个环节的安全性。

Description

一种危化品指针式仪表的数字接口方法及系统

技术领域

本发明属于危化品智能仪表技术领域，涉及危化品指针式仪表的接口方法及系统，尤其涉及采用光学非接触式危化品指针式仪表的数字接口方法和系统。

背景技术

随着国民经济生产总值的提高，危化品产业已经成为支撑我国国民经济生产的重要产业之一。然而由于危化品特殊的理化性质，危化品实质上是一种对人民生命财产安全有潜在威胁的商品，其在生产、存储、运输、使用中各个环节的安全管理成为危化品企业、相关政府部门和研究人员关心的一个重要课题。随着信息技术的发展，对危化品生产、存储、运输、使用中各个环节的关键数据监测成为危化品安全管理的一个重要技术手段。然而，正是由于危化品的特殊理化性质，目前大量使用的仍然是指针式仪表，参见王怡著的“基于DSP的指针式仪表数据智能采集系统设计”，西安电子科技大学，2011，pp2。如何在保证安全和非接触式测量条件下获得危化品指针式仪表的读数，成为危化品产业关键数据信息化的一个重要问题。

目前，指针式仪表示值读取多采用数字图像处理方法。这种方法的通常做法是：首先采集并输入仪表表盘的图像，然后对表盘图像进行预处理，提取得到表盘图像中指针所在位置，最后经过数值计算得出指针式仪表的读数。参见Correa Alegria和Cruz Serra所著的“Automatic Calibration of Analog and DigitalMeasuring Instruments Using Computer Vision”，IEEE TRANSACTIONS ONINSTRUMENTATION AND MEASUREMENT，Vol.49，No1，2000，pp94～99。这种方法对于读取危化品指针式仪表主要有两方面的缺点。一是完成数字图像处理任务过于依赖系统的内存和处理器等硬件配置。为了准确提取表盘图像中指针所在位置，需要有足够的存储空间来存储数字图像和图像处理过程中产生的变量；为了快速准确得到危化品指针式仪表的读数，这种方法对处理器的运算速度有较高要求。为了满足内存和处理器的要求，有时甚至需要使用计算机来辅助处理，这对于危化品这种特定的工况来说，既不经济又难以保证系统的安全运行。二是由于数字图像处理方法的复杂性，难以将进入危化品场所的电能量限制在较低的范围内，这就增加了危化品管理的潜在风险。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于危化品工况下的指针式仪表数字接口系统，充分利用危化品指针式仪表的读数示值，将危化品指针式仪表读数数字化。并且提供一种危化品指针式仪表数字接口方法，对危化品指针式仪表数字接口系统进行校准、建立数据表数据，将危化品指针式仪表变换后的数字信号经过安全防护单元进行电气隔离后发送到传输链路上。

本发明的技术方案是，对危化品指针式仪表安装光源、光信号接收单元和光电转换单元。通过处理器单元中的A/D转换器接收光电转换单元的电信号，光电转换单元输出电平和处理器单元中的A/D转换器输入电平相兼容。处理器单元一方面根据光电转换单元的基线信号控制光源强度，另一方面根据危化品指针式仪表的指针在光信号接收单元中所成的指针像素点，确定所述指针的位置。危化品指针式仪表指针摆幅有小于120°且大于0°、大于等于120°且小于240°和大于240°且小于360°三种类型，危化品指针式仪表指针摆幅小于120°且大于0°时，选择单片光信号接收单元覆盖危化品指针式仪表指针摆动范围，且向存储单元的光信号接收单元数目地址写入1；当危化品指针式仪表指针摆幅大于等于240°且小于360°时，选择两片光信号接收单元进行组合，覆盖危化品指针式仪表指针摆动范围，且向存储单元的光信号接收单元数目地址写入2；当危化品指针式仪表指针摆幅大于等于120°且小于240°时，选择三片光信号接收单元进行组合，覆盖危化品指针式仪表指针摆动范围，且向存储单元的光信号接收单元数目地址写入3。处理器单元根据光信号接收单元输出的危化品指针式仪表指针所处的位置将转换好的数据发送给信号调理单元。信号调理单元将处理器单元的输出信号调理成RS-485信号，经过安全防护单元发送到传输链路上。安全防护单元由限制供电的安全栅和通信电气隔离器组成。通信电器隔离器将RS-485信号先转换为光信号再转换为电信号（光隔离），或者将RS-485信号先转换为磁信号再转换为电信号（磁隔离）。整个系统包括光信号接收单元、光电转换单元、光源、存储单元、处理器单元、信号调理单元和安全防护单元。本发明中，处理器单元由带有A/D转换器的单片机实现，存储单元由EEPROM存储器实现。

本发明还提供一种危化品指针式仪表的数字接口方法，其特征在于包含校准模块和数据读取模块，具体步骤如下：

A.根据危化品指针式仪表数字接口输出值与危化品指针式仪表实际值之间的偏差，建立危化品指针式仪表数字接口输出值与危化品指针式仪表实际值关联的数据表，并将数据表存入所述的存储单元；

B.当处理器单元接收到开始读数指令后，根据光电转换单元的基线信号控制光源强度，接收光电转换单元中指针位置信号；

C.将所述的指针位置信号和所述的存储单元中的数据相关联，换算成危化品指针式仪表显示位置的数字信号；

D.将所述数字信号处理后发送到传输链路上。

本发明的效果和益处是将光学非接触式测量技术引入到危化品指针式仪表指针示值的识读中。一方面，降低了危化品指针式仪表指针示值识读系统配置的要求，提高危化品指针式仪表指针示值识读系统的经济性；另一方面，便于把进入危化品场所的电功率限制在较低的范围内，减低潜在的安全风险。从而有利于危化品生产、存储、运输、使用各个环节的自动化监测。在此基础上针对不同的危化品指针式仪表工况组成监测网络，可以实现危化品的网络化监控，从而提高危化品生产、存储、运输、使用等各个环节的安全性。

附图说明

图1是危化品指针式仪表数字接口系统结构图。

图2是危化品指针式仪表数字接口系统电路原理图。

图3是危化品指针式仪表数字接口方法校准流程图。

图4是危化品指针式仪表数字接口方法获取仪表示值量流程图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

（I）危化品指针式仪表数字接口系统

光信号接收单元和光电转换单元采用TOSHIBA公司生产的TCP1304AP为核心的线阵CCD模块。用4只高亮LED作为光源。光源、光信号接收单元和光电转换单元配合工作形成指针在仪表表盘中位置的电信号。

处理器单元采用以ST公司生产的STM32F103R8单片机为核心，其功能主要包括指针位置转换、输出指针式仪表示值信号。STM32F103R8单片机包含有2个12位A/D转换器，16个数字通道，转换范围是0V到3.6V。

存储单元用来存储危化品指针式仪表和对应物理量转换的参数。采用ATMEL公司生产的容量为4K bits的存储单元AT24C04。

信号调整电路将转换好的数据调整成RS-485总线电平，建立收发物理链接。

安全防护单元由两部分组成，一部分是电源的隔离，采用电源转换元件IB0303LS（U7）实现安全场所和危化品场所的供电电源磁隔离；另一部分是RS-485总线通信的电气隔离，使用美信公司的隔离收发器MAX3535（U6）和外围的网络变压器tgm-240（U4）。功率限制部分由电阻R12、齐纳二极管VD1组成。电阻R12和齐纳二极管VD1组成电阻式安全栅限定进入危化品危险场所的电能量。

（II）危化品指针式仪表数字接口方法

危化品指针式仪表数字接口方法流程主要由较准步骤（步骤一）和获取危化品指针式仪表示值量步骤（步骤二）组成。校准步骤的目的是建立危化品指针式仪表示值量与光电转换单元对应关系；获取危化品指针式仪表示值量步骤的目的是读取危化品指针式仪表的示值。

步骤一，校准步骤：数据处理器接收到开始校准命令“CALIBRATION”进入附图3的开始步骤，进入校准流程。

选择校准方式，根据危化品指针式仪表指针零位和满量程偏转角度覆盖范围的大小，选择可以覆盖指针偏转范围的线阵CCD数量。当需要使用多个线阵CCD才能完全对危化品指针式仪表指针指示范围覆盖时，需要根据每个CCD覆盖表盘范围的大小，将表盘指针示值进行分割。根据危化品指针式仪表表盘刻度的不同，选择不同的校准方式：

命令“1”表示表盘刻度是线性刻度。线性刻度危化品指针式仪表的转换值T1和单个线阵CCD满量程Pmax和零位值Pmin的关系为

$T_1=\frac{l_1}{l_{\max }-l_{\min }}\×(P_{\max }-P_{\min })+P_{\min }$

其中l₁是当前指针所在位置中心点在线阵CCD中成像点的序号，l_max和l_min分别对应单个线阵CCD满量程和零位成像点的序号。

命令“2”表示表盘刻度是非线性刻度。非线性刻度危化品指针式仪表的转换值由查找表来获得。不在校准数据点上的数据，使用非线性插值获取非线性刻度危化品指针式仪表转换系统的转换值T2。

接收校准数据点数据，危化品指针式仪表按照通信协议接收传输链路发送的校准数据。

对于命令“1”的表盘刻度是线性刻度，需要从传输链路接收危化品指针式仪表示值零位值P_min和满量程值P_max，相应的读取CCD像素点序号零位值对应的线阵CCD像素点序号l_min和满量程对应的线阵CCD像素点序号l_max。由数据表结合公式（1）建立数据表。

线阵CCD像素点序号	危化品指针式仪表示值
		lmin	Pmin
lmax	Pmax

对于命令“2”表盘刻度是非线性刻度。需要在校准时需要建立查找表，通过查找表和非线性插值建立数据表。

将建立的数据表存入存储单元，校准过程通常需要在初次使用危化品指针式仪表转换系统时或者需要校准时启动。校准过程建立的数据表需要固化保存在存储单元AT24C04中。处理器单元在启动时从AT24C04中把存储的数据表数据调入内存，以加快运算速度，减少系统功耗。

结束校准过程，返回危化品指针式仪表数字接口获取危化品指针式仪表示值量步骤（即步骤二）。

步骤二，获取危化品指针式仪表示值量步骤：数据处理器接收到采集命令“ACQUISITION”命令进入图4，开始获取光电转换单元指针像素点序号。

由于危化品指针式仪表指针在光电转换单元中的像占有多个像素点的特点，对光电转换单元接收到的像素点信号进行平滑滤波处理，光电转换单元指针像素点序号l₁取指针成像宽度范围内序号的中值

$l_1=\frac{l_{1l+}{l}_{1u}}{2}---\left(2\right)$

其中，l_1l和l_1u分别表示指针成像宽度范围内像素点序号的下限和上限。

转换成对应数量，对于线性刻度表盘，将光电转换单元指针成像点序号l₁，内存中的数据表数据代入公式（1）计算求解得到线性刻度危化品指针式仪表的转换值T1；对于非线性刻度表盘，光电转换单元指针成像点序号l₁在数据表数据中时，直接取得对应数量，像素点序号l₁不在数据表数据中时使用非线性插值获取非线性刻度危化品指针式仪表的转换值T2。

发送到传输链路，将转换值按照通信协议打包成一帧数据帧，经过安全防护单元的电气隔离，发送到RS-485传输链路上。

等待下次转换，在完成将数量发送到传输链路后至没有接收到采集命令“ACQUISITION”前，数据处理器处于等待命令状态。

Claims (3)

1.一种危化品指针式仪表的数字接口系统，包括光信号接收单元、光电转换单元、光源、存储单元、处理器单元、信号调理单元和安全防护单元，其特征在于，处理器单元和光电转换单元、光源、存储单元、信号调理单元相连接，光电转换单元输出TTL电平和处理器单元的输入电平相兼容，处理器单元嵌入光电转换单元信号和危化品指针式仪表指针示值信号的转换算法；存储单元存储转换危化品指针式仪表指针示值和实际物理量关系的数据，采用EEPROM存储器。

2.根据权利要求1所述的一种危化品指针式仪表的数字接口系统，其特征在于，所述安全防护单元由系统供电所需电能量限制电路和系统通信所需电能量限制电路组成。

3.一种危化品指针式仪表的数字接口方法，其特征在于包含校准模块和数据读取模块，具体步骤如下：

A.根据危化品指针式仪表数字接口输出值与危化品指针式仪表实际值之间的偏差，建立危化品指针式仪表数字接口输出值与危化品指针式仪表实际值关联的数据表，并将数据表存入所述的存储单元；

B.当处理器单元接收到开始读数指令后，根据光电转换单元的基线信号控制光源强度，接收光电转换单元中指针位置信号；

C.将所述的指针位置信号和所述的存储单元中的数据相关联，换算成危化品指针式仪表显示位置的数字信号；

D.将所述数字信号处理后发送到传输链路上。

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