CN105137366A - 智能电表专用led智能灯光检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了智能电表专用LED智能灯光检测装置及方法，光电流产生模块包括依次连接的反光镜、光导纤维，信号转换模块包括依次连接的I/V转换电路和运算放大电路，光电倍增管接转换开关的一端，转换开关另一端接I/V转换电路输入端，运算放大电路的输出端、转换开关、光电倍增管分别连接微处理器，微处理器上位机实现数据通信。方法包括以下步骤：采集LED灯光；将光转换为光电流；将光电流转换为电信号；电信号多级放大；生成所需的数字信号状态量；判断LED灯的状态。采用光谱分析技术，结合数字信号处理，对设备的LED信号灯进行非介入、非破坏、独立的在线监测，特别适合大批量流水线作业生产的表企。

Description

智能电表专用LED智能灯光检测装置及方法

技术领域

本发明涉及智能电表运行状态检测领域，具体地说是智能电表专用LED智能灯光检测装置及方法。

背景技术

智能电表运行的状态一般都会通过它们面板上的LED信号灯反映出来，在生产车间内，作为智能电表必要的检测工序，要求工作人员对有功、无功、跳闸、背光等信号灯进行逐一检查，排出LED灯故障，从而对及时查找电表其它故障提供有效帮助。

目前，对于LED灯的检测判断，都是通过人眼来观察，人工目检信号灯很费时间，连续长时间检查人工疲劳、粗心等原因容易出现遗漏和差错。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了智能电表专用LED智能灯光检测装置及方法，采用光谱分析技术，并应用了最先进的数字信号处理，对设备的LED信号灯进行非介入、非破坏、独立的在线监测，一旦发现LED灯异常就以声、光主动上报给计算机，特别适合大批量流水线作业生产的表企。

本发明采用以下技术方案：智能电表专用LED智能灯光检测装置，其特征在于，包括若干光电流产生模块、转换开关、信号转换模块、微处理器、报警器、上位机，所述的光电流产生模块包括依次连接的反光镜、光导纤维，信号转换模块包括依次连接的I/V转换电路和运算放大电路，光电倍增管的输出端连接转换开关的一端，转换开关的另一端连接I/V转换电路输入端，运算放大电路的输出端、转换开关、光电倍增管分别连接微处理器，微处理器通过RS485总线或USB接口与上位机实现数据通信。

进一步的，还包括FLASH，所述的FLASH通过SPI通信方式与微处理器连接。

进一步的，还包括显示器，所述的显示器通过数据线与微处理器连接。

优选的，所述的反光镜采用非球面反光镜。

优选的，所述的光导纤维采用反射型光导纤维。

优选的，所述的微处理器的型号为Z8S180芯片。

进一步的，所述的运算放大电路包括多级运放。

进一步的，所述的FLASH采用铁电存储器。

智能电表专用LED智能灯光检测方法，所述的方法包括以下步骤：

采集LED灯的光线；

将光线转换为光电流；

将光电流转换为电信号；

电信号多级放大；

生成所需的数字信号状态量；

比对采集到的信号与数据库中预存信号的信息，判断LED灯的状态。

进一步的，如果判断LED灯的状态正常，则不发出报警，不记录信息；如果判断LED灯的状态异常，则发出报警，并将报警信息记录在存储器内。

本发明的有益效果是：

1、只要将带有LED灯的电表放在检测仪对应位置，对设备的LED信号灯进行非介入、非破坏、独立的在线监测，通过检测信号灯的状态即可发现LED元器件的好坏，一旦发现LED灯异常就以声、光主动上报给计算机，因此，利用此种检测仪器能够有效脱离人为检测产生纰漏的问题，节省了人力，而且检测的速度快，大概0.5秒至3秒的范围内检测一只电表，特别适合大批量流水线作业生产的表企。

2、采用非球面反光镜，非球面反光镜光斑小，聚光效果好，可以获得近似平行光束的光线，不仅可以获得最大的光线亮度，而且能够有效的将光束聚集在光导纤维上，防止传输损耗。

3、利用了反射型光纤结构，在光纤内部，要求光线传播必须是全反射，可以有效减少光线的损耗，增强原始采集信号的强度，从而获得更加准确、可靠的信号。

4、FLASH采用铁电存储器，可以提供更快的写入速度和更长的使用寿命，由于在短时间内，微处理器与上位机之间需要进行大量的数据交互，采用铁电存储器，可以及时处理即时数据的存储，同时，更长的使用寿命，可以进一步降低费用损耗。

附图说明

图1是本发明的整体结构框图；

图2是本发明电路原理示意图；

图3是本发明方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，智能电表专用LED智能灯光检测装置，包括三个光电流产生模块、转换开关、信号转换模块、微处理器、报警器、FLASH、显示器、上位机，所述的光电流产生模块包括依次连接的反光镜、光导纤维，信号转换模块包括依次连接的I/V转换电路和运算放大电路，光电倍增管的输出端连接转换开关的一端，转换开关的另一端连接I/V转换电路输入端，运算放大电路的输出端、转换开关、光电倍增管、显示器分别连接微处理器，所述的FLASH通过SPI通信方式与微处理器连接，微处理器通过RS485总线或USB接口与上位机实现数据通信。

优选的，所述的反光镜采用非球面反光镜，所述的光导纤维采用反射型光导纤维，所述的微处理器的型号为Z8S180芯片，所述的运算放大电路包括多级运放，所述的FLASH采用铁电存储器。

如图2所示，反光镜左侧为需要测量的LED灯，与图1相对应，LED灯有三个，分别是有功LED、无功LED和跳闸LED。

S1为转换开关，转换开关包含3组单刀双掷开关,3组开关具体接通哪一通道,由输入地址码ABC来决定，微处理器输出地址译码信号选择相应的通道打开与关闭。

U1为光电倍增管，光电倍增建立在外光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上，结合了高增益、低噪声、高频率响应和大信号接收区等特征，是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光敏电真空器件，可以工作在紫外、可见和近红外区的光谱区。将光子入射到光阴极后，由于光电效应，产生光电子，然后在极间电厂的加速和聚焦作用下，产生大量的光电子从而输出光电流，形成电流信号。

U4为微处理器Z8S180-QFP(64)，内置数字信号处理器，利用特定的算法生成所需的数字信号的状态量，传递到上位机进行分析做出判断，同时负责控制转换开关、显示器、FLASH、报警器等设备的正常运行。

D1、D2、R4、C1、R1、R10构成I/V转换电路，因为光电倍增管输出微弱的电流信号，所以要将电流信号转换为电压信号才能进行检测如果利用负载电阻，在负载电阻较大而光电流信号较小时，则会影响光电倍增管的频率响应和线性度，为了使用较小的负载电阻，设计了I/V转换电路来代替之。

运放U2以及与运放U2配合的C2、R5构成一级运算放大电路，运放U3以及与运放U3配合的R3、R6构成二级运算放大电路，R2、R7、C3、R9、C4、R8主要起到稳压的作用。二级运放将转换输出的电压信号进行放大，便于微控制器内部的A/D能够有效的采集。要克服零点漂移、温度漂移、噪声电压等情况，保证在无信号输入时，输出电阻无穷大。

本发明还提供了一种智能电表专用LED智能灯光检测方法，如图3所示，所述的方法包括以下步骤：

采集LED灯的光线；

将光线转换为光电流；

将光电流转换为电信号；

电信号多级放大；

生成所需的数字信号状态量；

比对采集到的信号与数据库中预存信号的信息，判断LED灯的状态，如果判断LED灯的状态正常，则不发出报警，不记录信息；如果判断LED灯的状态异常，则发出报警，并将报警信息记录在存储器内。

如果利用本发明的装置来实现上述的检测方法，具体过程为：

被监测的LED光通过反光镜聚集，然后将收集到的光在光导纤维中全反射传播进入光电倍增管，微处理器可以通过程序控制多路开关的导通和关闭，有选择性的打开几只开关，被打开的开关选择对应通道，LED光便会进入I/V转换电路，将光电流信号转换成电压信号，再经过二级运放，将电压信号进行放大，向下送给微处理器，微处理器内置数字信号处理器。利用特定的算法生成所需的数字信号的状态量，传递到上位机进行分析做出判断，当LED灯光亮时上位机则通过菜单显示正常，否则为显示异常。同时可以驱动报警器进行声音报警或者声光报警，以防人为原因漏掉LED显示异常的电表。该仪器可将3盏LED信号灯的实时状态信息和预先设置的设备故障状态信息进行比对，如果发现被监测设备运行异常，它就通过以太网或RS485接口传递给计算机。在上位机上运行的应用软件收到告警数据包便可以启用网络发送告警消息，通知操作人员及时处理故障，也可如果计算机不能接收告警信息，告警信息会被存放在识别器的Flash存储区内，并定时发送直到该服务器数据库恢复工作，进行信息备份。最终识别出该路LED的状态信息：发光颜色和是否点亮。

整个装置的核心实现原理为：

光电信息的检测和采集是利用光子计数器原理，入射到光电倍增管阴极上的光子，能够在光电倍增管的负载上引起一系列电脉冲，经过I/V转换电路、运放放大后进入脉冲滤波电路滤掉噪声信号后，将单光子脉冲送入微处理器内部的脉冲计数器中计数光子脉冲数。

微处理器内部采集脉冲是采用等精度测量的原理，在测量过程中，有两个计数器分别对标准信号和被测信号同时计数，具体过程为：

首先给出闸门开启信号(预置闸门上升沿)，此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时，计数器才真正开始计数。

然后预置闸门关闭信号(下降沿)到时，计数器并不立即停止计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才结束计数，完成一次测量过程。可以看出，实际闸门时间τ与预置闸门时间τ1并不严格相等，但差值不超过被测信号的一个周期。设在一次实际闸门时间τ中计数器对被测信号的计数值为Nx，对标准信号的计数值为Ns，标准信号的频率为fs，则被测信号的频率为

$f_x=\frac{N_x}{N_s}{f}_s---\left(1\right)$

由式(1)可知，若忽略标频fs的误差，则等精度测频可能产生的相对误差为δ＝(|fxc-fx|/fxe)×100％(2)

其中，fxe为被测信号频率的准确值。

在测量中，由于fx计数的起停时间都是由该信号的上升测触发的，在闸门时间τ内对fx的计数Nx无误差(τ＝NxTx)；

对fs的计数Ns最多相差一个数的误差，即|ΔNs|≤1,其测量频率为

fxe＝[Nx/(Ns+ΔNs)]/fs(3)

将式(1)和(3)代入式(2)，并整理得：

δ＝|ΔNs|/Ns≤1/Ns＝1/(τ·fs)

δ＝|ΔNs|/Ns≤1/Ns＝1/(τ·fs)

由上式可以看出，测量频率的相对误差与被测信号频率的大小无关，仅与闸门时间和标准信号频率有关，即实现了整个测试频段的等精度测量。

闸门时间越长，标准频率越高，测频的相对误差就越小。

标准频率可由稳定度好、精度高的高频率晶体振荡器产生，在保证测量精度不变的前提下，提高标准信号频率，可使闸门时间缩短，即提高测试速度。

除本发明所述的结构外，其余均为现有技术。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.智能电表专用LED智能灯光检测装置，其特征在于，包括若干光电流产生模块、转换开关、信号转换模块、微处理器、报警器、上位机，所述的光电流产生模块包括依次连接的反光镜、光导纤维，信号转换模块包括依次连接的I/V转换电路和运算放大电路，光电倍增管的输出端连接转换开关的一端，转换开关的另一端连接I/V转换电路输入端，运算放大电路的输出端、转换开关、光电倍增管分别连接微处理器，微处理器通过RS485总线或USB接口与上位机实现数据通信。

2.根据权利要求1所述的智能电表专用LED智能灯光检测装置，其特征在于，还包括FLASH，所述的FLASH通过SPI通信方式与微处理器连接。

3.根据权利要求1所述的智能电表专用LED智能灯光检测装置，其特征在于，还包括显示器，所述的显示器通过数据线与微处理器连接。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的智能电表专用LED智能灯光检测装置，其特征在于，所述的反光镜采用非球面反光镜。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的智能电表专用LED智能灯光检测装置，其特征在于，所述的光导纤维采用反射型光导纤维。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的智能电表专用LED智能灯光检测装置，其特征在于，所述的微处理器的型号为Z8S180芯片。

7.根据权利要求1-3任意一项所述的智能电表专用LED智能灯光检测装置，其特征在于，所述的运算放大电路包括多级运放。

8.根据权利要求1-3任意一项所述的智能电表专用LED智能灯光检测装置，其特征在于，所述的FLASH采用铁电存储器。

9.智能电表专用LED智能灯光检测方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

采集LED灯的光线；

将光线转换为光电流；

将光电流转换为电信号；

电信号多级放大；

生成所需的数字信号状态量；

比对采集到的信号与数据库中预存信号的信息，判断LED灯的状态。

10.根据权利要求9所述的智能电表专用LED智能灯光检测方法，其特征在于，如果判断LED灯的状态正常，则不发出报警，不记录信息；如果判断LED灯的状态异常，则发出报警，并将报警信息记录在存储器内。