CN110987105A - 一种基于双脉冲采样的编码计数方法及燃气表 - Google Patents

一种基于双脉冲采样的编码计数方法及燃气表 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双脉冲采样的编码计数方法及燃气表，包括：S1：当磁感应器件的状态发生变化，对状态进行判断：若状态为“11”，则判断是否首次接收，若是则存储状态，执行S1；若否则存储状态执行S7；若状态为“00”，则丢弃状态进入异常处理；若状态为“10”或“01”则判断是否首次接收：若是则存储为起始状态，执行S1；若否则判断：若上次状态为“10”或“01”，则丢弃状态执行S1；若上次状态为“11”，则判断上次接收的“11”是否首次接收：若是则根据此次状态补齐起始状态并存储，执行S1；若否则存储此次状态，执行S7：判断是否:完整状态类型，若是则全部状态清零，计数加1；若否则执行S1。本发明能够有效消除计数误差，纠错能力强。

Description

一种基于双脉冲采样的编码计数方法及燃气表
技术领域
本发明属于计量技术领域，具体涉及一种基于双脉冲采样的编码计数方法及燃气表。
背景技术
随着社会智能化进程的发展，智能燃气表成为了当下家用表市场的主流，不管是早期的IC卡表、后来的公共频段无线表和现在主流的GPRS网络表、NB-IoT网络表等，都是智能表的范畴。在早期的时候，几乎所有的智能表都是采用干簧管这种器件来采集基表输出的磁脉冲信号，然后再转换成电子计数信号。不过随着技术的发展，目前越来越多的产品在使用霍尔器件或者磁阻器件来采集磁脉冲，或者是使用光电信号的脉冲。这种脉冲式的计数方式目前依然是业界机电信号转换的主流方式。
基于霍尔或磁阻的脉冲采样方式，为了达到其最佳工作条件，必须按照器件内部的磁感应单元来放置磁场，使磁场能在垂直或水平方向穿过磁感应单元，即磁感线与磁感应单元要为90°夹角才能达到最佳工作条件，这就对霍尔、磁阻和磁场的安装位置有了要求。
双脉冲采样顾名思义就是使用2颗磁感应器件来检测磁场信号，具体到本文所讨论的计数采样的场景，就是使用2颗霍尔或磁阻器件，对称安装在机械计数器携带磁场的运行轨迹上。当机械计数器携带磁场运行一周，2颗霍尔或磁阻器件将各收到一次磁场信号，且各自输出一次脉冲，即为双脉冲采样。双脉冲采样的优势在于可以兼顾计数和防磁干扰，在目前使用脉冲采样的产品中广泛应用。其运行示意图如图1所示。
现有技术中基于双脉冲的计数方法有很多，比如采用1颗防磁，1颗计数的方法；采用2颗协同计数，共同防磁的方法；还有采用可以各自计数同时也可以各自防磁的方法等。以上方法都能够实现计数和防强磁干扰，但是在某些难以预知的干扰情况下，还是可能出现计数误差，纠错能力不足。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种能够有效消除计数误差、纠错能力强的基于双脉冲采样的编码计数方法。
一种基于双脉冲采样的编码计数方法，包括：
S1：当有磁感应器件的状态发生变化时，对磁感应器件的状态进行判断：若此次状态为“11”，则执行步骤S2；若此次状态为“00”，则执行步骤S3；若此次状态为“10”或“01”则执行步骤S4；
S2：判断所述“11”状态是否首次接收，若是则存储状态，返回执行步骤S1；若否则存储状态并执行步骤S7；
S3：丢弃此次状态，进入异常处理流程；
S4：判断所述“10”或“01”状态是否首次接收：若是则存储为起始状态，返回执行步骤S1；若否则执行步骤S5；
S5：根据上次接收的状态进行判断：若上次的状态为“10”或“01”，则丢弃此次状态，返回执行步骤1；若上次的状态为“11”，则执行步骤S6；
S6：判断上次接收的“11”状态是否首次接收：若是则根据此次状态补齐起始状态并存储，返回执行步骤S1；若否则存储此次状态，执行步骤S7；
S7：判断状态是否完整，若是则全部状态清零，计数加1；若否则返回执行步骤S1。
进一步地，在所述步骤S5中丢弃此次状态之后返回执行步骤1之前，还包括：将异常次数的值加1，再判断所述异常次数是否达到异常次数阈值，若是则进入异常处理；若否则返回执行步骤1。
特别地，所述磁感应器件是霍尔传感器或磁阻传感器。
一种燃气表，包括对称安装在机械计数器携带磁场的运行轨迹上的两个磁感应器件，能够执行如前文所述的任一种基于双脉冲采样的编码计数方法。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、通过对一次完整计数过程中的状态进行编码以及根据状态类型来判断是否进行计数，不仅可以排除强磁干扰，还能有效防范不可预知的干扰，可以有效消除计数误差，纠错性能强，计量精度高；
2、通过对错误的状态信号设置合适的异常次数阈值，可以更好地识别因不可预知的干扰导致的异常状态，进一步提高了对异常状态的处理能力。
附图说明
图1为现有技术中双脉冲采样的运行示意图；
图2为本发明中磁场交替变化和磁阻输出状态的状态机象限图；
图3为本发明一种基于双脉冲采样的编码计数流程图；
图4为本发明另一种基于双脉冲采样的编码计数流程图。
具体实施方式
为了使发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
本发明的一个方面，一种基于双脉冲采样的编码计数方法，如图3所示，包括：
S1：当有磁感应器件的状态发生变化时，对磁感应器件的状态进行判断：若此次状态为“11”，则执行步骤S2；若此次状态为“00”，则执行步骤S3；若此次状态为“10”或“01”则执行步骤S4；
S2：判断所述“11”状态是否首次接收，若是则存储状态，返回执行步骤S1；若否则存储状态并执行步骤S7；
S3：丢弃此次状态，进入异常处理流程，跳出本方法；
S4：判断所述“10”或“01”状态是否首次接收：若是则存储为起始状态，返回执行步骤S1；若否则执行步骤S5；
S5：根据上次接收的状态进行判断：若上次的状态为“10”或“01”，则丢弃此次状态，返回执行步骤1；若上次的状态为“11”，则执行步骤S6；
S6：判断上次接收的“11”状态是否首次接收：若是则根据此次状态补齐起始状态并存储(即将补齐的起始状态、上次的“11”状态以及此次状态作为状态机的前三个状态)，返回执行步骤S1；若否则存储此次状态，执行步骤S7；
S7：判断状态是否完整，若是则全部状态清零，计数加1；若否则返回执行步骤S1。
本方案中的编码计数方法描述了一次完整的计数过程，其中的状态是指对称设置的两个磁感应器件的输出状态。具体来说，设两个磁感应器件分别为第一磁感应器件和第二磁感应器件，则“01”状态表示第一磁感应器件感应到超过门限的磁场强度而第二磁感应器件没有；“10”状态表示第二磁感应器件感应到超过门限的磁场强度而第一磁感应器件没有；“11”状态表示第一、第二磁感应器件均未感应到超过门限的磁场强度；“00”状态表示第一、第二磁感应器件均感应到超过门限的磁场强度。所述磁感应器件可以是霍尔传感器或磁阻传感器，通过连接到主控制器实现信号的采集以及状态处理，所述主控制器可以是MCU。所述首次接收是指在当前计数流程中目标状态是第一次接收到的状态。步骤S7中所述判断状态是否完整，是指当时存储的状态是否完整表示了一个循环的4个状态，包括一个起始状态以及三个中间状态(即后文所述的状态类型)。
本方案通过对一次完整计数过程中的状态进行编码以及根据状态类型来判断是否进行计数，不仅可以排除强磁干扰，还能有效防范不可预知的干扰，可以有效消除计数误差，纠错性能强，计量精度高。
作为进一步优化的方案，如图4所示，在步骤S5中丢弃此状态后返回执行步骤1之前，将异常次数(初始为0)的值加1，再判断所述异常次数是否达到异常次数阈值，若是则进入异常处理；若否则返回执行步骤1。
所述异常次数的值初始为0。所述异常次数阈值优选为3。所述异常处理可以是就地或向远程服务器发出警报、显示错误提示码、自动关阀等之类的手段。
这样一来，通过对错误的状态信号设置合适的异常次数阈值，可以更好地识别因不可预知的干扰导致的异常状态，进一步提高了对异常状态的处理能力。
本发明的原理结合实施例具体阐述如下：
首先，对编码以及计数状态进行讨论。磁感应器件的输出引脚分别连接到主控制器的外部输入中断引脚，由于主控制器的外部中断引脚是有不同中断源的，因此可以看作是有不同地址编码的区分。在首次接收到计数信号时，就可以根据接收到信号的引脚中断源来确立起始编码。
磁感应器件(如霍尔或磁阻器件)在供电之后，感受到磁场变化时会输出不同的状态。在此以全极性磁阻器件为例，在上电时如果工作磁场为0，那么输出状态为高电平，即用“1”表示。当感应到超过门限的磁场强度时，则改变状态输出低电平，即用“0”表示。如下表1所示：
表1-输出信号与磁场关系
Figure BDA0002296522380000041
正常计数时，磁场交替经过两个磁阻器件，在到达1号磁阻时，1号磁阻为“0”，2号磁阻为“1”；接着磁场离开1号磁阻，双方均变为“1”；最后再到达2号磁阻，1号磁阻为“1”，2号磁阻为“0”。各自状态和变化如下表2所示：
表2-磁场交替变化和磁阻输出状态表
序号 1号磁阻 2号磁阻 组合状态
1 0 1 01
2 1 1 11
3 1 0 10
4 1 1 11
。
如果对上述状态进行图形模拟化，可以用4象限图形进行展示，如图2所示。
所述图2中的象限图我们称之为“状态机”，从第1象限到第4象限的状态依次为：
01——11——10——11(状态类型1)；
当第1象限起始为11时，状态机的状态可能为：
11——10——11——01(状态类型2)；
或者：
11——01——11——10(状态类型3)；
当第1象限起始为10时，状态机的状态为：
10——11——01——11(状态类型4)。
上述4个状态类型，包含了整个正常计数过程的所有情况。在实际应用中，磁场信号安装在末位字轮，即每循环一圈是10L气体，两颗对称的检测磁阻分别在两侧，那么当计数器携带磁场信号旋转一圈主控制器将收到2个脉冲信号、4个边沿跳变中断，即5升每脉冲(5L/P)。当确定了起始信号，以“状态类型1”为例，当状态机满足状态类型1的顺序条件，那么成功计数一次，数值加1，状态类型4亦然。在这个过程中，当接收到一个正确的状态时，就存储这个状态，直到获得一个完整的状态机作为计数加1的条件。然后状态机的状态清零，重新开始记录状态。每个状态机的起始状态都必须是最初确定好的初始状态，以接收到这个状态为开始。
其次，对实际计数的误差进行讨论。当初始遇到状态类型1和状态类型4时，在极限情况下，当起始磁场刚好处在离开2号磁阻的位置，开始运行经过4L之后，1号磁阻接收到起始信号，开始计数，那么最终将与机械值的示值误差为4L；在最好的情况下，即起始磁场刚好靠近1号磁阻，那么开始运行1L之后就收到起始信号，最终示值误差为1L。此误差值与开始计数时的磁场位置有关。
而状态类型2和状态类型3，起始状态均为11，在实际计数过程中，是2个磁阻器件均未感应到磁场的状态。因此，如果在起始的时候获得此状态，那么可以推断出在燃气表在生产出来的时候，磁场正好覆盖其中的一颗磁阻信号，但是由于此时尚未通电，无信号输出。当上电的时候，也可能由于主控制器的初始化过程而漏掉此时的磁阻输出的跳变信号。只有在运行计数的时候，由于磁场信号离开此磁阻检测范围，产生上升沿跳变，主控制器才接收到此中断信号，结合另一个磁阻状态，得出“11”的状态组合。
这两个状态类型与状态类型1和状态类型4相比，可以看作是前面少一个状态，或者是多了第一个的“11”状态，根据这个思路，有两种处理方法：在状态前面增加一个状态和去掉“11”状态。如果采用去掉“11”状态的思路，以状态类型2为例，在未通电时的初始状态应为“01”，当开始计数，收到进入“11”状态的上升沿信号，然后继续计数5L收到状态“10”。若此时将“10”作为初始状态，那么示值误差将为5L。但是若采用在前面增加一个状态的思路，在前面补偿一个“应该”的起始状态“01”，将刚好弥补示值误差，达到示值误差为0L。因此，这种情况下应按照前面少一个状态的思路进行处理，更符合实际使用需求。
再次，考虑对异常状态的处理。在实际应用过程中，有各种各样的异常情况出现，当出现各种异常情况的时候，如何有效识别和防止错误，甚至是纠正错误就显得非常重要。在本计算方法中，将依靠状态机的状态值进行错误识别和纠正。
在依靠磁场信号进行机电转换的场景下，防护外界磁场干扰是重中之重。当外磁场到来时，有各种不同的磁场强度出现，也可能出现在状态机的任何一个位置。
当出现强磁场的时候，如果导致1号和2号磁阻均输出低电平，即状态“00”，则立刻判定为强磁干扰，采取相应的处理措施。
当出现不可预知的干扰时，新接收到的信号需要经过状态机判定，是否为正确的下一个状态。如果状态不正确，那么将丢弃这个状态，使当前状态机回滚到上一个状态，避免异常情况带来的错误状态使状态机的最终状态不正确而无法计数。
在实际情况中，常出现磁场干扰和临界位置干扰的情况，即在正常的计数过程中，正常运行的状态机突然插入一个其他信号。这个信号既可能是一个错误的状态信号，但也可能是正确的下一个状态信号。如果是一个错误的信号，那么状态机直接判定出来，丢弃此状态信号，同时回滚到上一个状态，继续等待下一个状态。如果此种情况持续发生，那么3次之后将进入异常处理流程。如果是一个正确的信号，那么状态机往前，进入下一个信号判断。此时，如果在正常计数，那么当正确信号到来时将会被认为是一个错误信号，因为前面已经把插入的信号当“正确信号”处理，所以此时状态机会丢弃此信号。然后继续计数下去则会按照正确的状态执行，不会出现计数错误问题，但错误次数会增加，当达到3次也会进入异常处理流程。因此在此种状态机计数的流程下，不但能够识别错误，还能够纠正错误。
接下来分析计数流程。如图3、4所示，在接收到中断信号时，先判断接收到的信号是何种状态，则对应不同的处理。在为“01”或“10”状态时，则是正常的状态起始位，如果是首次收到信号，那么则存储起来，作为起始状态标志。否则，就作为状态机中间状态处理，结合前面的状态判断本次接收信号是否正确。如果正确，则判断是否满足一个完整的状态机，如果是则进行正确计数；如果不是则存储本次正确状态，并进行下次信号的接收判断；如果不正确，则状态机回滚，丢弃本次信号，同时异常次数增加，做异常处理。
在为“11”状态时，如果是首次接收到的信号，那么首先存储状态，然后等待下次信号，如果下次信号正确，则根据下次信号补齐前一个信号，组成状态机的前三个状态，然后存储状态机退出，等待下次信号到来。
在为“00”状态时，则直接丢弃这个状态，并立即进行异常处理。
最后，对本文中的编码计数方法进行准确性验证，以测试其是否满足国家标准规定的机械计数与电子计数之间的转换误差。本计数方法的脉冲当量为5L，但实际计数是两个脉冲为1组，计量的最小单位为10L，因此不能超过10L气体的偏差。测试气量每只样机不应低于2000m3。同时为了验证其快速计量的特性，采用型号G10的样机，使空气以qmax即16m3/h的流速通过燃气表。在测试开始之前，记录起始量及燃气表机械计数器的初始读数，运行不少于2000m3气量之后，停止通气，记录最终量及燃气表机械计数器的读数。实验结果如下表3所示：
表3-计量测试结果记录
样品号 起始机械读数 最终机械读数 起始量 最终量
001 0.23 2000.23 0 2000
002 0.21 2000.21 0 2000
003 0.19 2000.19 0 2000
004 0.21 2000.21 0 2000
005 0.20 2000.20 0 2000
006 0.22 2000.22 0 2000
007 0.22 2000.22 0 2000
008 0.19 2000.19 0 2000
009 0.25 2000.25 0 2000
010 0.27 2000.27 0 2000
011 0.18 2000.18 0 2000
。
从计数实验验证结果来看，即使在流速最快的情况下，采用此方法的计数结果也非常精确。在此过程中，还通过强磁靠近的手段对计数进行干扰，依然没有出现计数偏差，并且还能够准确的给出异常响应，关闭内置电机阀，切断供气，完全满足实际使用需求。
总的来说，本计数方法具有很高的纠错性能，并且具备磁阻器件的高灵敏性和快速响应性，能够用于大流量燃气表的计量。
一般的双脉冲计数方法，在防磁方面都能做得比较好，只是在纠错方面，不同得方法有不同得效果。如果采用一般方法，可能在一个完整计数脉冲结束时，新的脉冲到来之间插入干扰信号的情况下，出现错误的多计数情况。如果采用本方法可在计数的任意时候实现精准纠错，因为本方法有起始信号判断，如果一个干扰信号被认为是正确的信号了，那么状态机将向前或者清零(完整周期之后)，当下一个正确状态到来时，由于不符合下一个正确的状态或者正确的起始状态，将会被丢弃，直到再下一个正确状态到来时才认为正确而保存，防止了出错的情况发生。
另外，本方法可把产生脉冲的磁钢安装在计数器的首位字轮，在3位红字轮的情况下，计量精度为10L/P，一般方法基本采用第二位字轮的方法，计量精度为100L/P。因为本方法计量精度高了10倍，结果更精确，同时由于磁阻器件的快速响应特性和CMOS信号输出的方式，即使提高了10倍的精度，也能在流速较快的情况下实现准确计量，完全满足G25以内的计数条件。本申请的编码计数方法与现有技术的对比如表4所示：
表4-本方法与现有技术的对比
对比项目 干簧管已有方法 霍尔磁阻已有方法 本方法
计量精度 100L/P 100L/P 10L/P
可计量流速范围 窄 宽 宽
防磁干扰性能 强 强 强
纠错性能 差 差 强
。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于双脉冲采样的编码计数方法，其特征在于，包括：
S1：当有磁感应器件的状态发生变化时，对磁感应器件的状态进行判断：若此次状态为“11”，则执行步骤S2；若此次状态为“00”，则执行步骤S3；若此次状态为“10”或“01”则执行步骤S4；
S2：判断所述“11”状态是否首次接收，若是则存储状态，返回执行步骤S1；若否则存储状态并执行步骤S7；
S3：丢弃此次状态，进入异常处理流程；
S4：判断所述“10”或“01”状态是否首次接收：若是则存储为起始状态，返回执行步骤S1；若否则执行步骤S5；
S5：根据上次接收的状态进行判断：若上次的状态为“10”或“01”，则丢弃此次状态，返回执行步骤1；若上次的状态为“11”，则执行步骤S6；
S6：判断上次接收的“11”状态是否首次接收：若是则根据此次状态补齐起始状态并存储，返回执行步骤S1；若否则存储此次状态，执行步骤S7；
S7：判断状态是否完整，若是则全部状态清零，计数加1；若否则返回执行步骤S1。
2.根据权利要求1所述的一种基于双脉冲采样的编码计数方法，其特征在于：
在所述步骤S5中丢弃此次状态之后返回执行步骤1之前，还包括：将异常次数的值加1，再判断所述异常次数是否达到异常次数阈值，若是则进入异常处理；若否则返回执行步骤1。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于双脉冲采样的编码计数方法，其特征在于：
所述磁感应器件是霍尔传感器或磁阻传感器。
4.一种燃气表，包括对称安装在机械计数器携带磁场的运行轨迹上的两个磁感应器件，其特征在于，能够执行如权利要求1-3任一项所述的一种基于双脉冲采样的编码计数方法。
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