CN113324651A - 基于数字电阻的光电信号采样电路及其配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于数字电阻的光电信号采样电路，包括分别耦接于第一参考电压和电源地之间的红外接收单元一和红外接收单元二，同相输入端耦接红外接收单元一电压输出端的第一比较器，同相输入端耦接红外接收单元二电压输出端的第二比较器，以及分别耦接第一比较器和第二比较器反相输入端的参考电压输出单元，所述参考电压输出单元包括耦接参考电压源的分压电路和跟随比较器，以及耦接分压电路的MCU，所述分压电路包括串接的分压电阻和数字电位器。本发明的方案通过采样红外接收单元实际的输出电压，并经计算来设置数字电位器阻值，进而调整回路分压，能够准确设定参考电压，使得采样结果更加稳定准确。

Description

基于数字电阻的光电信号采样电路及其配置方法

技术领域

本发明涉及信号采样技术领域，具体涉及一种基于数字电阻的光电信号采样电路及其配置方法。

背景技术

在智能电度表或燃气膜式表中，通常是在计量轴上安装如附图1所示的黑白转盘。信号采集端配置光收发管装置，发射管定期发射光信号，光信号照射在黑白转盘上，黑色吸收光信号，白色反射光信号，反射到光接收管，经过信号回路控制，芯片检测到高低变化的电平信号，进而判断圆盘的旋转圈数。

上述装置运行时，在一些条件下，会对采样造成干扰，如发射和接收管焊接偏差、黑白转盘不平整等问题，每台设备不尽相同。经信号采集端采集后，如不进行处理，这些干扰情况会对采样结果造成干扰。为此，信号采集端通常是采样比较电路，对采集到的信号进行比较、处理。但这需要采样电路有一个合适的比较电压。如果比较电压选择不当，就会发生干扰信号无法滤除或者所需要的圈数信号也被同时滤除的情况，导致信号采集端工作失常。原本的解决方法是靠人工挑选批量仪器估算平均阻值，固定阻值(参考电压)。但没有考虑仪器的个体差异，仍会导致部分仪器计量异常。

中国专利CN 2305017Y《数控光电采样器》提供了一种无需人工调整的数控光电采样器，用数字/模拟转换电路代替了原来的电位器对光电才样子的比较电压进行自动调整，便于操作。然而，该方案仅限于实现硬件上采用数字/模拟转换电路自动调整，仅设置了满足条件的最大比较电压，防止圆盘上的干扰斑痕被判断为黑色标记造成信号输出。

另外，在理想状态下黑白转盘转动过程中，转动一圈时光信号检测端依次接收到：00->10->11->01->00->10->11->01->00->10->11->01共计12个信号如图2所示。然而，部分仪器会存在各信号分布不均匀的现象(如图3所示)，此时需要缩短检测信号周期，导致整体功耗增加。

发明内容

基于上述背景，本发明提供了一种基于数字电阻的光电信号采样电路及其配置方法，采样了如下技术方案以解决上述问题：

一种基于数字电阻的光电信号采样电路，包括分别耦接于第一参考电压和电源地之间的红外接收单元一和红外接收单元二，同相输入端耦接红外接收单元一电压输出端的第一比较器，同相输入端耦接红外接收单元二电压输出端的第二比较器，以及分别耦接第一比较器和第二比较器反相输入端的参考电压输出单元，其特征在于，所述参考电压输出单元包括耦接参考电压源的分压电路和跟随比较器，以及耦接分压电路的MCU，所述分压电路包括串接的分压电阻和数字电位器，所述MCU的信号输入端分别耦接所述红外接收管一和红外接收管二的电压输出端，用于根据红外接收单元一和红外接收单元二的输出电压，基于预设逻辑设置数字电位器的阻值，进而调节所述跟随比较器的输入电压，所述跟随比较器的输出端向所述第一比较器和第二比较器输出参考电压。

进一步的，该光电信号采样电路还包括红外发射单元，所述红外发射单元包括耦接所述参考电压源的红外发射管。

本发明还包括一种如上所述的基于数字电阻的光电信号采样电路的配置方法，包括如下步骤：

S1、多次采样，分别记录红外接收单元一和红外接收单元二电压输出端的输出电压数据；

S2、分别从记录的红外接收单元一和红外接收单元二的输出电压数据中取最大值和最小值，计算各自的平均值V1、V2；

S3、取V1、V2的平均值作为调整后的参考电压V，基于该参考电压V计算所述数字电位器的阻值设定值；

S4、MCU根据计算得到的阻值设定值调节数字电位器的实际阻值。

进一步的，步骤S3中，基于参考电压V计算所述数字电位器的阻值设定值采用如下公式：

其中，X为数字电位器的设定阻值，k为数字电位器阻值设定值与实际阻值的比例系数，V为计算得到的参考电压，R₁为串接于数字电位器和参考电压源之间的分压电阻阻值且R₁＞0，R₃为串接于数字电位器和电源地之间的分压电阻阻值且R3≥0，V_OUTA为参考电压源的输出电压。

本发明的有益技术效果如下：

本发明的方案通过采样红外接收单元实际的输出电压，并经计算来设置数字电位器阻值，进而调整回路分压，能够准确设定参考电压，从而保证能检测到两路具有相位差，各状态时间均等，类似正弦波、连续的电平信号，使得采样结果更加稳定准确。

附图说明

图1为本发明中涉及的黑白转盘的示意图。

图2为理想状态下标准采样信号示意图。

图3为收到干扰后的采样信号示意图。

图4为本发明的基于数字电阻的光电信号采样电路组成及连接关系示意图。

图5为本发明的基于数字电阻的光电信号采样电路实施例的电路原理图。

图6为本发明的基于数字电阻的光电信号采样电路实施例中数字电位器示意图。

图7(a)和(b)为电阻调整前后的采样信号示波图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

参见附图4，本发明实施例提供了一种基于数字电阻的光电信号采样电路，包括分别耦接电源供电模块的的红外接收管1和红外接收管2，同相输入端耦接红外接收管1电压输出端的第一比较器，同相输入端耦接红外接收管2电压输出端的第二比较器，以及分别耦接第一比较器和第二比较器反相输入端的参考电压输出单元。其中，参考电压输出单元包括耦接电源供电模块的分压电路和跟随比较器，以及耦接分压电路的MCU，分压电路包括串接的分压电阻和数字电位器。MCU的AD转换器信号输入端分别耦接红外接收管1和红外接收管2的电压输出端，用于根据红外接收管1和红外接收管2的输出电压，基于预设逻辑设置数字电位器的阻值，进而调节跟随比较器的输入电压，跟随比较器的输出端向第一比较器和第二比较器输出参考电压。

另外，本实施例中的光电信号采样电路，还包括红外发射电路，该红外发射电路包括耦接电源供电模块的红外发射管，用于发出红外光作为红外接收管的信号光源。

参见附图5，为本发明的光电信号采样电路一种具体示出实施方案，其中，电阻R1、数字电位器和电阻R2串接构成分压电路，其电源端耦接电源模块提供的参考电压OUTA，分压输出端经电阻R2耦接跟随比较器U1的同相输入端。跟随比较器U1的输出端分别经电阻R6和R8耦接第一比较器U2和第二比较器U3的反相输入端。红外接收管IR1和红外接收管IR3的正极均耦接电源模块提供的参考电压VCC2，负极分别经电阻R4和R7接地，分压输出分别耦接第一比较器U2和第二比较器U3的同相输入端。第一比较器U2和第二比较器U3的输出端用于输出采样电平信号OUT1和OUT2。

参见附图6，为本实施例中使用的数字电位器，其SCL和SDA管脚耦接参考电压和MCU的相应管脚，用于接收配置信号，P0A和P0B管脚耦接两侧的分压电阻，可基于MCU的配置信号调整至相应的阻值。MCU选用单片机。

其工作原理为：将前级跟随比较器U1输出的电压接至两路比较器U2、U3反相输入端INC-和IND-作为比较参考电压。电源电压经红外接收管和电阻分压后进比较器同相输入端。当检测黑色时，接收管收到少量红外线，其等效为一个很大的电阻，比较器同相输入端电压低于反相输入端，输出低电平；当检测白色时接收管收到大量红外线，其等效电阻值变小，比较器同相输入端电压高于反相输入端，输出高电平。P0A和P0B之间连接数字电位器，SCL和SDA引脚与MCU相连，通过I² C通信向数字电位器的特定寄存器写入数值从而设定阻值，最终调整回路2的分压。

本发明实施例还提供了上述的基于数字电阻的光电信号采样电路的配置方法，包括如下步骤：

第一步，多次采样，分别记录红外接收单元一和红外接收单元二电压输出端的输出电压数据；

第二步，分别从记录的红外接收单元一和红外接收单元二的输出电压数据中取最大值和最小值，计算各自的平均值V1、V2；

第三步，取V1、V2的平均值作为调整后的参考电压V，基于该参考电压V计算所述数字电位器的阻值设定值；

第四步，MCU根据计算得到的阻值设定值调节数字电位器的实际阻值。

参考附图5，具体流程和原理进一步说明如下：

两个红外接收管处的电压VINC+、VIND+接到MCU的AD管脚，当检测到黑色时，接收管处的电压为低电压，当检测到白色时，接收管处的电压为高电压。在数字电位器阻值为默认值的情况下，黑白转盘持续转动，接收管的电压变化是连续的。多次采样并记录采样数据，从数据中取出最大和最小电平，计算它们的平均值V₁。另一接收管的采样数据的处理同理，得到平均值V₂。最后，取调整后的参考电压V＝(V₁+V₂)/2，再根据电压值计算数字电位器的设定电阻值。

参考附图5，数字电位器的设定电阻值计算过程如下：

回路1中：电压：V_OUTA，电阻：R₁+R₃+R；

回路2中:电压：V，电阻：R₃+R；

满足以下关系：

X＝k×R

所以设定值：

其中，R为数字电位器的阻值，k为数字电位器设定值与实际阻值的比例关系，X为调整后的设定值。

参考附图7(a)和7(b)，为电阻调整前后的采样信号示波图。

阻值未调整前，存在个别接收管一致性较差的电路板，电平信号会如图7(a)所示，可以看出信号00占比大，信号11几乎检测不到。

根据实际采样电压设置电阻后，电平信号会如图7(b)所示，可以看出，波形的占空比得到有效改善，各信号分布较均匀。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于数字电阻的光电信号采样电路，包括分别耦接于第一参考电压和电源地之间的红外接收单元一和红外接收单元二，同相输入端耦接红外接收单元一电压输出端的第一比较器，同相输入端耦接红外接收单元二电压输出端的第二比较器，以及分别耦接第一比较器和第二比较器反相输入端的参考电压输出单元，其特征在于，所述参考电压输出单元包括耦接参考电压源的分压电路和跟随比较器，以及耦接分压电路的MCU，所述分压电路包括串接的分压电阻和数字电位器，所述MCU的信号输入端分别耦接所述红外接收管一和红外接收管二的电压输出端，用于根据红外接收单元一和红外接收单元二的输出电压，基于预设逻辑设置数字电位器的阻值，进而调节所述跟随比较器的输入电压，所述跟随比较器的输出端向所述第一比较器和第二比较器输出参考电压。

2.如权利要求1所述的基于数字电阻的光电信号采样电路，其特征在于，还包括红外发射单元，所述红外发射单元包括耦接所述参考电压源的红外发射管。

3.一种如权利要求1或2所述的基于数字电阻的光电信号采样电路的配置方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、多次采样，分别记录红外接收单元一和红外接收单元二电压输出端的输出电压数据；

S2、分别从记录的红外接收单元一和红外接收单元二的输出电压数据中取最大值和最小值，计算各自的平均值V1、V2；

S3、取V1、V2的平均值作为调整后的参考电压V，基于该参考电压V计算所述数字电位器的阻值设定值；

S4、MCU根据计算得到的阻值设定值调节数字电位器的实际阻值。

4.如权利要求3所述的配置方法，其特征在于，步骤S3中，基于参考电压V计算所述数字电位器的阻值设定值采用如下公式：

其中，X为数字电位器的设定阻值，k为数字电位器阻值设定值与实际阻值的比例系数，V为计算得到的参考电压，R₁为串接于数字电位器和参考电压源之间的分压电阻阻值且R₁＞0，R₃为串接于数字电位器和电源地之间的分压电阻阻值且R3≥0，V_OUTA为参考电压源的输出电压。

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