CN105608881A - 直读仪表字轮组示值的光电编码器及其抑制干扰方法 - Google Patents

Abstract

直读仪表字轮组示值的光电编码器及其抑制干扰方法，基于的硬件设备包括机械计数字轮组、电源电路和光电编码器，光电编码器包括单片微处理器及光电传感组件阵列，该阵列中各单元包括有一发光管和一与之对应的光敏接收管；该方法包括以下步骤:A0:由单片机内贮存的软件程序选定光电传感组件阵列中第x行y列的一个光电传感组件;B0:单片机以序列Dn驱动其中的发光管发光;B1:单片机上的模数转换器输入端对光敏接收管的电压降进行采样,获得与驱动序列Dn对应的响应序列Rm;C0:将响应序列Rm与驱动序列Dn进行相干运算获得运算结果F;D0:运算结果F与设定的阈值E比较大小来确定所选中的光电传感组件的通断状态。

Description

直读仪表字轮组示值的光电编码器及其抑制干扰方法

技术领域

本发明涉及测量值的电信号传输系统，特别是涉及直读测量流量或电能的机械计数字轮示值之抑制外光干扰的方法，尤其涉及采用光电传感编码器对机械字轮组的示值进行直读的水表、热量表或燃气表。

背景技术

现有技术远程抄表系统中常用的方法，是将机械字轮组的示值转换为电数字信号后实施数据通信。完成该转换过程的是字轮光电编码器，如图1所示，该编码器包括一片处理电数字数据信号的微处理器（以下均简称为“单片机”）、几个机械计数器字轮，以及与每个字轮配合的至少四组光电传感组件。各字轮上制作有透光编码条，光电传感组件的光路可穿透这些编码条，而字轮上编码条之外的部分是遮光的，各字轮的角度位置决定各对应的编码条的位置，使得字轮上的十个十进制示值中的每一个示值各对应一组二进制数码。至少四组光电传感组件的光路通断代表至少四位二进制数利用光路的通断来检测这些编码条的位置，由单片机根据该二进制数解析出各字轮上的0到9十个数字，完成数据采集。

编码器平时不需要供电，只在读取字轮示值时供电，有利于整个抄表系统的电源解决方案，从而得到广泛应用，但现有技术字轮的光电编码器有其不足之处：通常光电传感组件由发光管和光敏管配对组成，光敏管的导通与否是以其导通电流阈值判定的，当光敏管受到干扰，例如受到外界光照射时，光敏管会有导通电流，如果外界光足够强，光敏管的导通程度会使导通电流超过阈值，令单片机误判为“通”；另一方面，当发光管发光但字轮还未被遮光时，本应判断为“通”，却可能由于气泡或其他干扰使得光敏管导通电流没有超过阈值，致使误判为“断”。

现有技术解决方案之一，是对光敏管的电流量化，做模数转换，当环境光较强时，采样电阻为光敏管串联电阻，阻值较小，代表电流的采样比例较小，当环境光较弱时，采样电阻为光敏管串联电阻和单片机端口上拉电阻的串联等效电阻，阻值较大，采样比例相对较大，以此来调整光敏管的灵敏度，适应环境光的变化，提高抗干扰能力。但当环境光的强度变化较大，光敏管接近截止区或饱和区时，有效光照形成的电平改变太小，而且光敏管灵敏度的调整只有两个档位，难以有效克服干扰。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处，而提供一种光电编码器抑制外部光线干扰的方法，在不增加元器件的情况下提高各字轮光电编码器的抗干扰能力。

本发明提出的一种直读仪表字轮组示值的光电编码器抑制干扰方法，基于的硬件设备包括机械计数字轮组、电源电路和光电编码器，所述光电编码器包括单片微处理器即单片机，以及光电传感组件阵列，该阵列包括p行q列，共计p×q个单元，每一单元即是一光电传感组件，包括一个发光管和一个与之对应的光敏接收管；所述光电传感组件阵列中，至少要取p=1，对应一个字轮、q=4，以便把一个字轮上的十个十进制数字分别转换为二进制数码；所述光电编码器抑制干扰方法包括以下步骤:步骤A0:由单片机内贮存的软件程序选定光电传感组件阵列中第x行y列的一个光电传感组件;步骤B0:单片机以序列Dn驱动步骤A0所选中的光电传感组件中的发光管发光;步骤B1:单片机上的模数转换器输入端对光敏接收管的电压降进行采样,获得与驱动序列Dn对应的响应序列Rm;步骤C0:将响应序列Rm与驱动序列Dn进行相干运算获得运算结果F;步骤D0:运算结果F与设定的阈值E比较大小来确定所选中的光电传感组件的通断状态。

所述光敏接收管为光敏三极管,所述模数转换器输入端与光敏三极管的集电极连接。

所述光敏接收管为光敏二极管,所述模数转换器输入端与光敏二极管的阴极连接。

所述序列Dn由一串n个数据组成，所述数据为1或0,n取值范围为8～16。

所述响应序列Rm是模数转换所得的m个数据，m取值范围为8～16；模数转换所得的数据范围取决于单片机模数转换器的分辨率RP的二进制数码位数即比特数b，b的取值范围为8~12，选择b=10，则数据范围为0～1023。

所述相干运算的算法是：，式中Dk和Rk分别表示驱动序列Dn和响应序列Rm的第k个数据。

所述阈值算法是：，其中Y是阈值选择系数，在0.02～0.10之间。

本发明提出的一种抗干扰光电编码器，包括单片微处理器即单片机，以及光电传感组件阵列,该阵列包括p行q列，共计p×q个单元，每一单元即是一光电传感组件，包括一个发光管和一个与之对应的光敏三极管；所述光电传感组件阵列中，至少要取p=1，对应一个字轮、q=4，以便把一个字轮上的十个十进制数字分别转换为二进制数码；所述光电传感组件阵列中的第x行光电传感组件的各发光管阳极并联后通过限流电阻RVx与所述单片机的一个驱动I/O管脚VDx连接；所述光电传感组件阵列中的第x行光电传感组件的各光敏三极管的集电极并联后与单片机自带的模数转换器的输入管脚ADx连接，各光敏三极管的集电极并联后还通过电阻RAx与单片机的I/O管脚VCx连接；所述光电传感组件阵列中的第y列光电传感组件的各发光管的阴极与各光敏三极管的发射极连接，并与所述单片机的I/O管脚VSy连接；在VCx输出高电平、VSy输出低电平的状况下，选定第x行第y列的光电传感组件，VDx以序列Dn驱动其中的发光管发光；在模数转换器输入端对光敏三极管的电压降进行采样,单片机获得响应序列Rm，将响应序列Rm与驱动序列Dn进行相干运算获得运算结果F，运算结果F与规定的阈值E比较大小，确定所选定的第x行第y列光电传感组件的通断。

本发明提出的一种抗干扰光电编码器，包括单片微处理器即单片机，以及光电传感组件阵列,该阵列包括p行q列，共计p×q个单元，每一单元即是一光电传感组件，包括一个发光管和一个与之对应的光敏二极管；所述光电传感组件阵列中，至少要取p=1，对应一个字轮、q=4，以便把一个字轮上的十个十进制数字分别转换为二进制数码；所述光电传感组件阵列中的第x行光电传感组件的各发光管阳极并联后通过限流电阻RVx与所述单片机的一个驱动I/O管脚VDx连接；所述光电传感组件阵列中的第x行光电传感组件的各光敏二极管的阴极并联后与单片机自带的模数转换器的输入管脚ADx连接，各光敏二极管的阴极并联后还通过电阻RAx与单片机的I/O管脚VCx连接；所述光电传感组件阵列中的第y列光电传感组件的各发光管的阴极与各光敏二极管的阳极连接，并与所述单片机的I/O管脚VSy连接；在VCx输出高电平、VSy输出低电平的状况下，选定第x行第y列的光电传感组件，VDx以序列Dn驱动其中的发光管发光；在模数转换器输入端对光敏二极管的电压降进行采样,单片机获得响应序列Rm，将响应序列Rm与驱动序列Dn进行相干运算获得运算结果F，运算结果F与规定的阈值E比较大小，确定所选定的第X行第Y列光电传感组件的通断。

本发明在不增加元器件的情况下，利用单片机本身普遍都具有的模数转换器，配合适当程序，即可显著提高光电编码器的抗干扰能力，包括抗环境光干扰、电磁干扰、湿式水表的气泡干扰、水质影响、光路沉积物影响等，同时具有硬件成本低廉，性能稳定的特点。

附图说明

图1是本发明优选实施例所用机械计数字轮与各光电传感组件的结构示意图，图中标号1为字轮，2为字轮轴，3为发光管，4为光敏接收管；

图2是所述实施例中光电传感器的电原理示意图，其中的光敏接收管为光敏三极管；

图3是所述实施例中单片机与对应一个字轮的一行五列光电传感组件阵列的电连接原理示意图；

图4是实施例中单片机与p行q列光电传感组件阵列的电连接原理示意图；图中只显示了光电传感组件阵列中的部分单元；

图5是所述实施例中光电传感器的电原理示意图，其中的光敏接收管为光敏二极管。

具体实施方式

下面结合各附图对本发明做进一步说明。

在一个实施例中，一种直读仪表字轮组示值的光电编码器抑制干扰方法，基于的硬件设备包括机械计数字轮组、电源电路和光电编码器，所述光电编码器包括单片微处理器即单片机，以及光电传感组件阵列，该阵列包括p行q列，共计p×q个单元，每一单元即是一光电传感组件，包括一对发光管和光敏接收管即一个发光管和一个与之对应的光敏接收管；所述光电传感组件阵列中，至少要取p=1，对应一个字轮、q=4，以便把一个字轮上的十个十进制数字分别转换为二进制数码；所述光电编码器抑制干扰方法包括以下步骤:步骤A0:由单片机内贮存的软件程序选定光电传感组件阵列中第x行y列的一个光电传感组件;步骤B0:单片机以序列Dn驱动步骤A0所选中的光电传感组件中的发光管发光;步骤B1:单片机上的模数转换器输入端对光敏接收管的电压降进行采样,获得与驱动序列Dn对应的响应序列Rm;步骤C0:将响应序列Rm与驱动序列Dn进行相干运算获得运算结果F;步骤D0:运算结果F与设定的阈值E比较大小来确定所选中的光电传感组件的通断状态。

如图2所示的一个实施例中的抗干扰光电编码器，包括单片微处理器即单片机，以及光电传感组件阵列,该阵列包括p行q列，共计p×q个单元，每一单元即是一光电传感组件，包括一个发光管和一个与之对应的光敏三极管；

所述第x行光电传感组件的各发光管阳极并联后通过限流电阻RVx与所述单片机的一个驱动I/O管脚VDx连接；所述第x行光电传感组件的各光敏三极管的集电极并联后与单片机自带的模数转换器的输入管脚ADx连接，各光敏三极管的集电极并联后还通过电阻RAx与单片机的I/O管脚VCx连接；所述第y列光电传感组件的各发光管的阴极与各光敏三极管的发射极连接，并与所述单片机的I/O管脚VSy连接；在VCx输出高电平、VSy输出低电平的状况下，选定第x行第y列的光电传感组件，VDx以序列Dn驱动其中的发光管发光；在模数转换器输入端对光敏三极管的电压降进行采样,单片机获得响应序列Rm，将响应序列Rm与驱动序列Dn进行相干运算获得运算结果F，运算结果F与规定的阈值E比较大小，确定所选定第x行第y列的光电传感的通断。在同一行光电传感组件中，各发光管阳极一起通过电阻接到单片机输出端，各光敏接收管即光敏三极管的集电极一起接到单片机模数转换器输入端，再通过电阻接到单片机输出端；同一列的光电传感组件中，各发光管阴极和光敏三极管的发射极一起接到单片机输出端；单片机通过切换输出端是驱动态还是高阻态来逐一选择光电传感组件阵列。

如图5所示的另一个实施例中，所述光电传感器也可以由一个发光管和一个光敏二极管组成；此时光敏二极管的阴极替换上述光敏三极管的集电极，光敏二极管的阳极替换上述光敏三极管的发射极。即图5所示的一种抗干扰光电编码器，包括单片微处理器即单片机，以及光电传感组件阵列,该阵列包括p行q列，共计p×q个单元，每一单元即是一光电传感组件，包括一个发光管和一个与之对应的光敏二极管；所述第x行光电传感组件的各发光管阳极并联后通过限流电阻RVx与所述单片机的一个驱动I/O管脚VDx连接；所述第x行光电传感组件的各光敏二极管的阴极并联后与单片机自带的模数转换器的输入管脚ADx连接，各光敏二极管的阴极并联后还通过电阻RAx与单片机的I/O管脚VCx连接；所述第y列光电传感组件的各发光管的阴极与各光敏二极管的阳极连接，并与所述单片机的I/O管脚VSy连接；在VCx输出高电平、VSy输出低电平的状况下，选定第x行第y列的光电传感组件，VDx以序列Dn驱动其中的发光管发光；在模数转换器输入端对光敏二极管的电压降进行采样,单片机获得响应序列Rm，将响应序列Rm与驱动序列Dn进行相干运算获得运算结果F，运算结果F与规定的阈值E比较大小，确定所选定的第X行第Y列光电传感组件的通断。

所述驱动数据序列Dn由一串n个数据组成，所述数据为1或0，具有伪随机数列的特性，n值越大抗干扰性越好，但电源消耗越多以及检测时间越长。对于机械字轮组示值读出的应用，每一位的检测时间通常在10～100μs，可选择n=8～16。所述响应序列Rm是m个模数转换所得数据，数据范围取决于单片机模数转换器的分辨率位数b，b的取值范围为8～12，在一个实施例中选择b=10，则数据范围为0～1023。所述相干运算的算法之一是：，式中Dk和Rk分别表示驱动序列Dn和响应序列Rm的第k个数据。所述阈值算法之一是：，其中Y是阈值选择系数，在0.02～0.10之间。

如图2至4所示，单片机输出端VD1通过电阻RV1驱动发光管LD11发光，单片机输出端VC1输出高电平为光敏三极管PH11提供工作电源，PH11受到光照时导通电流增大使AD1电平下降，单片机模数转换器读取该电平后判定光路是“通”还是“断”。如本发明指出的，LD11是按照特定序列Dn发光的，与此同时对AD1进行数模转换采样，得到响应数据序列Rm，采样完成之后将响应序列Rm与驱动序列Dn进行相干运算，计算结果F与规定的阈值E比较大小，确定光电传感组件的通断判定。

单片机对光电传感组件阵列进行扫描选择的工作原理图如图2所示，阵列以4行5列为例，当x行y列的光电传感组件被单片机选中时，单片机VSy输出低电平，VCx输出高电平，ADx是单片机模数转换器输入端，VDx是单片机驱动输出端；不被单片机选中有两种情况，一是VCx、ADx、VDx为高阻态，二是VSy为高阻态。单片机逐一选择光电传感组件阵列中的各光电传感组件，识别判定每个光电传感组件的通断，每行5个光电传感组件的通断形成一个5位二进制数，对应一个字轮的数字，4行决定4个字轮的数字，最终完成编码器数据。

结合图2至4，说明本发明的测量方法：

第一步，单片机扫描选中光电传感组件阵列中的一个光电传感组件，以第1行第1列的光电传感组件为例，即VC1接高电平，AD1接单片机模数转换器输入端，VD1接单片机驱动输出端，VS1接低电平。

第二步，用特定数据序列Dn通过VD1和RV1驱动发光管LD11发光，同时在AD1端用模数转换器采样，得到响应序列Rm。Dn由一串n个数据组成，所述数据为1或0，0时发光管发光，1时发光管熄灭，具有伪随机数列的特性，对于机械字轮组示值读出的应用，每一位的检测时间通常在10～100μs，可选择n=8～16。以n=8为例，Dn=D1，D2，D3，…，D8=0，1，0，1，1，0，1，0，得到的响应序列Rm=R1，R2，R3，…，R8，共8个模数转换结果，设定模数转换器分辨率位数b=10，则每个数模转换结果为0～1023，其中0对应VS1电压，1023对应VC1电压。

第三步，将响应序列Rm与驱动数据序列Dn进行相干运算，应用上一步所举实例参数，一种简单有效的相干运算是：

；

则F的可能范围是-4092～4092。阈值选择算法之一是：

，其中Y=0.05是阈值选择系数，数值在0.02～0.1之间。实际上，光干扰或电磁干扰是与Dn序列无关的，因此，当F大于204.6时即可判定光路“通”，否则光路“断”。

第四步，扫描选择下一个光电传感组件，直到完成传感组件阵列的全部4×5个检测，得到相应的通断判定。

第五步，由一列5个通断判定得出一个字轮的数据，4行对应4个字轮数据，完成编码过程。

实施例中每列5个光电传感组件，5个光路通断共32种状态，合并成10种状态分别代表字轮的0～9十个数值；实施例中共有4行，代表4个字轮的数值。

上述实施例所给出的数据序列Dn的长度和数据可以有其他选择，相干运算也可以有其他算法，但其特征是计算结果与Dn相关。

Claims (9)

1.一种直读仪表字轮组示值的光电编码器抑制干扰方法，基于的硬件设备包括机械计数字轮组、电源电路和光电编码器，所述光电编码器包括单片微处理器即单片机，以及光电传感组件阵列，该阵列包括p行q列，共计p×q个单元，每一单元即是一光电传感组件，包括一个发光管和一个与之对应的光敏接收管；所述光电传感组件阵列中，至少要取p=1，对应一个字轮、q=4，以便把一个字轮上的十个十进制数字分别转换为二进制数码；所述光电编码器抑制干扰方法包括以下步骤：

步骤A0：由单片机内贮存的软件程序选定光电传感组件阵列中第x行y列的一个光电传感组件；

步骤B0：单片机以序列Dn驱动步骤A0所选中的光电传感组件中的发光管发光；

步骤B1：单片机上的模数转换器输入端对光敏接收管的电压降进行采样,获得与驱动序列Dn对应的响应序列Rm；

步骤C0：将响应序列Rm与驱动序列Dn进行相干运算获得运算结果F；

步骤D0：运算结果F与设定的阈值E比较大小来确定所选中的光电传感组件的通断状态。

2.根据权利要求1所述的抑制干扰方法，其特征在于：所述光敏接收管为光敏三极管，所述模数转换器输入端与光敏三极管的集电极连接。

3.根据权利要求1所述的抑制干扰方法，其特征在于：所述光敏接收管为光敏二极管，所述模数转换器输入端与光敏二极管的阴极连接。

4.根据权利要求1所述的抑制干扰方法，其特征在于：所述序列Dn由一串n个数据组成，所述数据为1或0，n取值范围为8～16。

5.根据权利要求4所述的光电编码器抑制干扰的方法，其特征在于：所述响应序列Rm是模数转换所得的m个数据，m取值范围为8～16；模数转换所得的数据范围取决于单片机模数转换器的分辨率RP的二进制数码位数即比特数b，b的取值范围为8~12，选择b=10，则数据范围为0～1023。

6.根据权利要求5所述的抑制干扰方法，其特征在于：所述相干运算的算法是：，式中Dk和Rk分别表示驱动序列Dn和响应序列Rm的第k个数据。

7.根据权利要求5所述的光电编码器抑制干扰的方法，其特征在于：所述阈值算法是：，其中Y是阈值选择系数，在0.02～0.10之间。

8.一种抗干扰光电编码器，其特征在于：包括单片微处理器即单片机，以及光电传感组件阵列,该阵列包括p行q列，共计p×q个单元，每一单元即是一光电传感组件，包括一个发光管和一个与之对应的光敏三极管；所述光电传感组件阵列中，至少要取p=1，对应一个字轮、q=4，以便把一个字轮上的十个十进制数字分别转换为二进制数码；

所述光电传感组件阵列中的第x行光电传感组件的各发光管阳极并联后通过限流电阻RVx与所述单片机的一个驱动I/O管脚VDx连接；

所述光电传感组件阵列中的第x行光电传感组件的各光敏三极管的集电极并联后与单片机自带的模数转换器的输入管脚ADx连接，同时各光敏三极管的集电极并联后还通过电阻RAx与单片机的I/O管脚VCx连接；

所述光电传感组件阵列中的第y列光电传感组件的各发光管的阴极与各光敏三极管的发射极连接，并与所述单片机的I/O管脚VSy连接；

在VCx输出高电平、VSy输出低电平的状况下，选定第x行第y列的光电传感组件，VDx以序列Dn驱动其中的发光管发光；

在模数转换器输入端对光敏三极管的电压降进行采样,单片机获得响应序列Rm，将响应序列Rm与驱动序列Dn进行相干运算获得运算结果F，运算结果F与规定的阈值E比较大小，确定所选定的第X行第Y列光电传感组件的通断。

9.一种抗干扰光电编码器，其特征在于:包括单片微处理器即单片机，以及光电传感组件阵列,该阵列包括p行q列，共计p×q个单元，每一单元即是一光电传感组件，包括一个发光管和一个与之对应的光敏二极管；所述光电传感组件阵列中，至少要取p=1，对应一个字轮、q=4，以便把一个字轮上的十个十进制数字分别转换为二进制数码；

所述光电传感组件阵列中的第x行光电传感组件的各发光管阳极并联后通过限流电阻RVx与所述单片机的一个驱动I/O管脚VDx连接；

所述光电传感组件阵列中的第x行光电传感组件的各光敏二极管的阴极并联后与单片机自带的模数转换器的输入管脚ADx连接，各光敏二极管的阴极并联后还通过电阻RAx与单片机的I/O管脚VCx连接；

所述光电传感组件阵列中的第y列光电传感组件的各发光管的阴极与各光敏二极管的阳极连接，并与所述单片机的I/O管脚VSy连接；

在VCx输出高电平、VSy输出低电平的状况下，选定第x行第y列的光电传感组件，VDx以序列Dn驱动其中的发光管发光；

在模数转换器输入端对光敏二极管的电压降进行采样，单片机获得响应序列Rm，将响应序列Rm与驱动序列Dn进行相干运算获得运算结果F，运算结果F与规定的阈值E比较大小，确定所选定的第X行第Y列光电传感组件的通断。