CN114001787B - 一种物联网智能燃气表双速光电采样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种物联网智能燃气表双速光电采样方法，包括以下步骤：P1、燃气带动编码盘转动；P2、主脉冲信号：光敏二极管PD1能接收到发光二极管LED1的光线，发光二极管LED1导通；P3、副脉冲信号：光敏二极管PD2不能接收到发光二极管LED2的光线，发光二极管LED2断开，三极管Q2断开，GPI‑2接口处接收到的信号为高电平，光敏二极管PD2能接收到发光二极管LED2的光线，发光二极管LED2导通，为三极管Q2基极提供电压，三极管Q2导通，三极管Q2的集电极为低电压；P4、外圈与内圈的分度比为6:1。通过编码盘具有两种分度值，以快速脉冲信号的计数值作为计量单元的输入信号值，快速脉冲的分辨率较高，满足测试模式下显示分辨率高的要求。

Description

一种物联网智能燃气表双速光电采样方法
技术领域
本发明涉及物联网智能燃气表技术领域，具体地说涉及一种物联网智能燃气表双速光电采样方法。
背景技术
随着我国信息化、智能化以及科技化水平的提升，智能计量技术在燃气表中的应用也越来越广泛，随着社会的不断发展和进步，天然气的使用在现代社会发展和居民生活中的地位和作用越来越重要；随着城市管道的大规模推广和应用，燃气表的应用也深入到千家万户，随着城市规模的扩大，针对燃气公司对燃气表监控和燃气用量大数据分析的需要，伴随着智能云服务、物联网产业和技术的逐步发展，物联网技术在智能燃气表的运用也越来越多。
燃气表的采样计数目前以干簧管、霍尔开关传感器、光电编码器为主，干簧管、霍尔开关、光电编码器均属于磁性元件，在外部强磁场干扰的情况下会有计量失效的情况发生。
传统燃气表以机械显示为主显示器，电子计数器为辅助显示器。这种机械、电子显示器双重显示不但造成严重的资源浪费，同时也给用户带来巨大的困扰，比如一般燃气表上会有如下标识“电子显示和机械显示不一致时，以机械显示为准。”如果是非燃气计量行业的从业人员，很难理解这种标识的含义。
传统智能膜式燃气表电子计数器是基于对机械计数器的机电转换而来，电子计数器的精确度依赖于机械计数器，就民用表而言，电子显示的分辨率为10L，燃气表的物联网化、信息化要求必然需要电子计数器（显示器）实现较高的精确度和分辨率。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提供一种物联网智能燃气表双速光电采样方法，通过编码盘具有两种分度值，以快速脉冲信号的计数值作为计量单元的输入信号值，快速脉冲的分辨率较高，满足测试模式下显示分辨率高的要求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。
一种物联网智能燃气表双速光电采样方法，其特征在于：包括以下步骤：
P1、燃气带动编码盘转动；
P2、主脉冲信号：内圈随编码盘旋转时，当内圈切断发光二极管LED1发射端和光敏二极管PD1接收端之间的通路，内圈切断通路时，光敏二极管PD1不能接收到发光二极管LED1的光线，发光二极管LED1断开，三极管Q1的基极没有电压，三极管Q1断开，三极管Q1的集电极为高电压， GPI-1接口处接收到的信号为高电平，内圈未切断通路时，光敏二极管PD1能接收到发光二极管LED1的光线，发光二极管LED1导通，为三极管Q1的基极提供电压，三极管Q1导通，三极管Q1的集电极为低电压， MCU控制器通过GPI-1接口处接收到的信号为低电平；
P3、副脉冲信号：在步骤P2的同时，外圈随编码盘旋转切断发光二极管LED2发射端和光敏二极管PD2接收端之间的通路，外圈切断通路时，光敏二极管PD2不能接收到发光二极管LED2的光线，发光二极管LED2断开，三极管Q2的基极没有电压，三极管Q2断开，三极管Q2的集电极为高电压， GPI-2接口处接收到的信号为高电平，外圈未切断通路时，光敏二极管PD2能接收到发光二极管LED2的光线，发光二极管LED2导通，为三极管Q2基极提供电压，三极管Q2导通，三极管Q2的集电极为低电压， MCU控制器通过GPI-2接口处接收到的信号为低电平；
P4、外圈与内圈的分度比为6:1，编码盘旋转一圈时，外圈输出6个脉冲，内圈输出1个脉冲，外圈能够测量0.1L的分度。
还包括基表，所述基表上设置有编码盘、支架、电路板和连接器；
所述编码盘上设置有外圈和内圈，所述外圈与内圈的分度比为6:1；
所述支架固定连接电路板，所述电路板上安装有光电组件，所述光电组件包括光电组件A和光电组件B,所述光电组件A与外圈相对应，所述光电组件B与内圈相对应；
所述连接器连接有MCU控制器。
所述光电组件A包括发光二极管LED2和光敏二极管PD2，所述发光二极管LED2的阳极与光敏二极管PD2的阴极连接后分别连接有电压VCC和三极管Q2的集电极，所述三极管Q2的发射极分别连接有电阻R22的一端和接地，所述电阻R22的另一端分别连接三极管Q2的基极和光敏二极管PD2的阳极，所述三极管Q2的集电极通过GPI-2接口连接MCU控制器，所述发光二极管LED2的阴极通过GP0-2接口连接MCU控制器。
所述发光二极管LED2与光敏二极管PD2相对设置，所述外圈为半圈状，所述外圈随编码盘旋转间断的切断发光二极管LED2发射端和光敏二极管PD2接收端之间的通路。
所述光电组件A包括发光二极管LED1和光敏二极管PD1，所述发光二极管LED1的阳极与光敏二极管PD1的阴极连接后分别连接有电压VCC和三极管Q1的集电极，所述三极管Q1的发射极分别连接有电阻R12的一端和接地，所述电阻R12的另一端分别连接三极管Q1的基极和光敏二极管PD1的阳极，所述三极管Q1的集电极通过GPI-1接口连接MCU控制器，所述发光二极管LED1的阴极通过GP0-1接口连接MCU控制器。
所述发光二极管LED1与光敏二极管PD1相对设置，所述内圈为六个均匀分布的弧形状，所述内圈随编码盘旋转间断的切断发光二极管LED1发射端和光敏二极管PD1接收端之间的通路。
本申请的有益效果是。
1、通过主脉冲信号和副脉冲信号两种采集方式，主脉冲为慢速采样脉冲，脉冲当量为机芯回转体积；副脉冲为高速脉冲，脉冲当量为回转体积的6倍，实现两种不同的采集分辨率，以快速脉冲信号的计数值作为计量单元的输入信号值，快速脉冲的分辨率较高，满足测试模式下显示分辨率高的要求。
2、通过光电采样，解决磁干扰问题；通过脉冲激励光源的采样方法，降低平均功耗；采用双速采样，实现两种不同采样分辨率，通过工作模式下采样以慢速脉冲为计量单元输入信号，使用较低的采样频率，降低MCU控制器的唤醒频次，降低功耗；通过测试模式下采用快速脉冲为计量单元的输入信号，使用较快的采样频率，满足较高显示分辨率的要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中光电组件与编码盘的结构示意图。
图3为本发明中编码盘的结构示意图。
图4为本发明中编码盘的立体结构示意图。
图5为本发明的电路连接示意图。
图6为本发明中流量脉冲输出频率表。
图中标号为：1、基表，2、编码盘，3、支架，4、光电组件，5、电路板，6、连接器，7、外圈，8、内圈，9、光电组件A，10、光电组件B。
具体实施方式
如图1至4所示，一种物联网智能燃气表双速光电采样方法，其特征在于：包括以下步骤：
P1、燃气带动编码盘2转动；
P2、主脉冲信号：内圈8随编码盘2旋转时，当内圈8切断发光二极管LED1发射端和光敏二极管PD1接收端之间的通路，内圈8切断通路时，光敏二极管PD1不能接收到发光二极管LED1的光线，发光二极管LED1断开，三极管Q1的基极没有电压，三极管Q1断开，三极管Q1的集电极为高电压， GPI-1接口处接收到的信号为高电平，内圈8未切断通路时，光敏二极管PD1能接收到发光二极管LED1的光线，发光二极管LED1导通，为三极管Q1的基极提供电压，三极管Q1导通，三极管Q1的集电极为低电压， MCU控制器通过GPI-1接口处接收到的信号为低电平；
P3、副脉冲信号：在步骤P2的同时，外圈7随编码盘2旋转切断发光二极管LED2发射端和光敏二极管PD2接收端之间的通路，外圈7切断通路时，光敏二极管PD2不能接收到发光二极管LED2的光线，发光二极管LED2断开，三极管Q2的基极没有电压，三极管Q2断开，三极管Q2的集电极为高电压， GPI-2接口处接收到的信号为高电平，外圈7未切断通路时，光敏二极管PD2能接收到发光二极管LED2的光线，发光二极管LED2导通，为三极管Q2基极提供电压，三极管Q2导通，三极管Q2的集电极为低电压， MCU控制器通过GPI-2接口处接收到的信号为低电平；
P4、外圈7与内圈8的分度比为6:1，编码盘2旋转一圈时，外圈7输出6个脉冲，内圈8输出1个脉冲，外圈7能够测量0.1L的分度。
还包括基表1，所述基表1上设置有编码盘2、支架3、电路板5和连接器6；
所述编码盘2上设置有外圈7和内圈8，所述外圈7与内圈8的分度比为6:1；
所述支架3固定连接电路板5，所述电路板5上安装有光电组件4，所述光电组件4包括光电组件A9和光电组件B10,所述光电组件A9与外圈7相对应，所述光电组件B10与内圈8相对应；
所述连接器6连接有MCU控制器。
如图5所示，所述光电组件A9包括发光二极管LED2和光敏二极管PD2，所述发光二极管LED2的阳极与光敏二极管PD2的阴极连接后分别连接有电压VCC和三极管Q2的集电极，所述三极管Q2的发射极分别连接有电阻R22的一端和接地，所述电阻R22的另一端分别连接三极管Q2的基极和光敏二极管PD2的阳极，所述三极管Q2的集电极通过GPI-2接口连接MCU控制器，所述发光二极管LED2的阴极通过GP0-2接口连接MCU控制器。
所述发光二极管LED2与光敏二极管PD2相对设置，所述外圈7为半圈状，所述外圈7随编码盘2旋转间断的切断发光二极管LED2发射端和光敏二极管PD2接收端之间的通路。
所述光电组件B10包括发光二极管LED1和光敏二极管PD1，所述发光二极管LED1的阳极与光敏二极管PD1的阴极连接后分别连接有电压VCC和三极管Q1的集电极，所述三极管Q1的发射极分别连接有电阻R12的一端和接地，所述电阻R12的另一端分别连接三极管Q1的基极和光敏二极管PD1的阳极，所述三极管Q1的集电极通过GPI-1接口连接MCU控制器，所述发光二极管LED1的阴极通过GP0-1接口连接MCU控制器。
所述发光二极管LED1与光敏二极管PD1相对设置，所述内圈8为六个均匀分布的弧形状，所述内圈8随编码盘2旋转间断的切断发光二极管LED1发射端和光敏二极管PD1接收端之间的通路。
通过主脉冲信号和副脉冲信号两种采集方式，主脉冲为慢速采样脉冲，脉冲当量为机芯回转体积；副脉冲为高速脉冲，脉冲当量为回转体积的6倍，实现两种不同的采集分辨率，以快速脉冲信号的计数值作为计量单元的输入信号值，快速脉冲的分辨率较高，满足测试模式下显示分辨率高的要求。
通过光电采样，解决磁干扰问题；通过脉冲激励光源的采样方法，降低平均功耗；采用双速采样，实现两种不同采样分辨率，通过工作模式下采样以慢速脉冲为计量单元输入信号，使用较低的采样频率，降低MCU控制器的唤醒频次，降低功耗；通过测试模式下采用快速脉冲为计量单元的输入信号，使用较快的采样频率，满足较高显示分辨率的要求。
按照回转体积为1.2L计算，采样盘安装在机芯的传动轴上，和机芯传动轴同步转动时，如图6所示，快速脉冲的最大信号频率为16.8Hz，慢速脉冲的最慢信号频率为2.8。根据采样定理采样频率不小于最大信号频率的2倍，实际应用中保证采样频率为信号最高频率的2.56～4倍,其中，qr为过载流量，qmin为最小流量。
本设计中，考虑规格为6方的膜式燃气表。设置两个采样频率的，慢速速采样频率为10Hz，快速采样频率为50Hz。
工作模式下，采样频率设置为10Hz，慢速脉冲信号的计数值作为MCU计量单元的输入信号，mcu唤醒频率低，适应工作模式下低功耗需求。
测试模式下采样频率设置为50Hz，以快速脉冲信号的计数值作为计量单元的输入信号值，快速脉冲的分辨率较高，满足测试模式下显示分辨率高的要求。
根据机械回转体积1.2L的条件，假定燃气表型号规格为6方/小时qn=6m³/h，则过载流量为qr=12m³/h，过载流量为极限最大流量，qr的流量条件下，快速脉冲的最大信号频率为16.8Hz，慢速脉冲的最慢信号频率为2.8Hz。根据采样定理采样频率不小于最大信号频率的2倍，实际应用中保证采样频率为信号最高频率的2.56～4倍。
主脉冲为慢速脉冲，一个脉冲代表一个机芯回转体积，机芯回转体积为1.2L，则一个主脉冲代表的工况条件下气体体积为1.2L。副脉冲信号频率为主脉冲的6倍，即一个副脉冲表示1/6个回转体积，机芯回转体积为1.2L时，一个副脉冲为0.2L，信号上升沿和下降沿各实现一个分度时，可实现0.1L的分辨率。
定义变量mainPlNum作为主脉冲的计数值；定义变量subPlNum作为副脉冲的技术值。
每个主脉冲信号的上升沿，主脉冲信号值加1。
每个副脉冲信号的上升沿，副脉冲信号值取整后加1。每个副脉冲信号值得下降，副脉冲的信号值加0.5。
根据上来的描述，主脉冲技术值mainPlNum加1时，副脉冲的技术值subPlNum应为主脉冲计数值mainPlNum的6倍。
主脉冲一般只取整数。副脉冲可以有1位小数，用于记录副脉冲的下降沿，进一步提高副脉冲的采样分辨率。
采样频率自适应即根据信号的最大值等特征事先确定信号需要的最大采样频率和最小采样频率；然后根据采样所得的真实信号频率计算新的采样频率。
本设计中，考虑规格为6方的膜式燃气表，根据快速脉冲的最大频率16.8Hz的4倍，选择采样频率最大值为80Hz，记为SAMPLE_FREQ_MAX；根据慢速脉冲2.8Hz的2.56倍选择最小采样频率（圆整后）为10Hz，记为SAMPLE_FREQ_MIN，在根据最大频率16.8Hz的2.56倍（圆整后）确认一个中间采样频率为50Hz，记为SAMPLE_FREQ_NOR。
定义变量smplFreq用于记录当前采样频率，并初始化为最小采样频率，即smplFreq=SAMPLE_FREQ_MIN。
采样程序记录最近两次主脉冲上升沿的时间点，当采样程序识别到主脉冲上升边沿时，记录当前时间点。上次脉冲上升沿和本次脉冲上升沿的时间差，计算出信号频率，在根据信号频率值得重新计算采样频率smplFreq；
如果计算的到的采样频率smplFreq大于最大采样频率SAMPLE_FREQ_MAX，则采样频率取即smplFreq=SAMPLE_FREQ_MAX；
如果计算的到的采样频率smplFreq小于最大采样频率SAMPLE_FREQ_MIN，则采样频率取即smplFreq=SAMPLE_FREQ_MIN；
设定一个时间阈值40s；当40s之内主副脉冲的信号无变化时，重新将采用频率smplFreq置为最小采样频率，即smplFreq=SAMPLE_FREQ_MIN。
采样流程初始状态时以最小采样频率。
主脉冲临界区处理方法：主脉冲为慢速脉冲，一个脉冲代表一个机芯回转体积，机芯回转体积为1.2L，则一个主脉冲代表的工况条件下气体体积为1.2L。副脉冲信号频率为主脉冲的6倍，即一个副脉冲表示1/6个回转体积，机芯回转体积为1.2L时，一个负脉冲为0.2L。
当主脉冲上一采样时刻的信号为逻辑0，当前采样时刻的值为逻辑1时，根据副脉冲当前逻辑来确定主脉冲的逻辑信号，判断方法如下：
如果副脉冲的信号逻辑为1，在主脉冲计数器加1，并将当前采样的脉冲信号为逻辑1（用于和下一次采样所得的信号比较来判断电平变化，依次递推）。
如果副脉冲的信号逻辑为0，则不处理和记录信号，相当于丢弃本次主脉冲的采样结果，以此来规避临界区信号的不确定性。同时判断采样频率如果采用频率smplFreq小于中间采样频率SAMPLE_FREQ_NOR，则将smplFreq置为SAMPLE_FREQ_NOR。可避免此时副脉冲丢失。
副脉冲修正方法：每个主脉冲信号的上升沿，主脉冲计数值mainPlNum加1，同时将副脉冲的计数值修正为mainPlNum的6倍。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的方法或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种物联网智能燃气表双速光电采样方法，其特征在于：包括以下步骤：
P1、燃气带动编码盘（2）转动；
P2、主脉冲信号：内圈（8）随编码盘（2）旋转时，当内圈（8）切断发光二极管LED1发射端和光敏二极管PD1接收端之间的通路，内圈（8）切断通路时，光敏二极管PD1不能接收到发光二极管LED1的光线，发光二极管LED1断开，三极管Q1的基极没有电压，三极管Q1断开，三极管Q1的集电极为高电压， GPI-1接口处接收到的信号为高电平，内圈（8）未切断通路时，光敏二极管PD1能接收到发光二极管LED1的光线，发光二极管LED1导通，为三极管Q1的基极提供电压，三极管Q1导通，三极管Q1的集电极为低电压， MCU控制器通过GPI-1接口处接收到的信号为低电平；
P3、副脉冲信号：在步骤P2的同时，外圈（7）随编码盘（2）旋转切断发光二极管LED2发射端和光敏二极管PD2接收端之间的通路，外圈（7）切断通路时，光敏二极管PD2不能接收到发光二极管LED2的光线，发光二极管LED2断开，三极管Q2的基极没有电压，三极管Q2断开，三极管Q2的集电极为高电压， GPI-2接口处接收到的信号为高电平，外圈（7）未切断通路时，光敏二极管PD2能接收到发光二极管LED2的光线，发光二极管LED2导通，为三极管Q2基极提供电压，三极管Q2导通，三极管Q2的集电极为低电压， MCU控制器通过GPI-2接口处接收到的信号为低电平；
P4、外圈（7）与内圈（8）的分度比为6:1，编码盘（2）旋转一圈时，外圈（7）输出6个脉冲，内圈（8）输出1个脉冲，外圈（7）能够测量0.1L的分度。
2.如权利要求1所述的一种物联网智能燃气表双速光电采样方法，其特征在于：所述发光二极管LED2的阳极与光敏二极管PD2的阴极连接后分别连接有电压VCC和三极管Q2的集电极，所述三极管Q2的发射极分别连接有电阻R22的一端和接地，所述电阻R22的另一端分别连接三极管Q2的基极和光敏二极管PD2的阳极，所述三极管Q2的集电极通过GPI-2接口连接MCU控制器，所述发光二极管LED2的阴极通过GP0-2接口连接MCU控制器。
3.如权利要求2所述的一种物联网智能燃气表双速光电采样方法，其特征在于：所述发光二极管LED2与光敏二极管PD2相对设置，所述外圈（7）为半圈状，所述外圈（7）随编码盘（2）旋转间断的切断发光二极管LED2发射端和光敏二极管PD2接收端之间的通路。
4.如权利要求1所述的一种物联网智能燃气表双速光电采样方法，其特征在于：所述发光二极管LED1的阳极与光敏二极管PD1的阴极连接后分别连接有电压VCC和三极管Q1的集电极，所述三极管Q1的发射极分别连接有电阻R12的一端和接地，所述电阻R12的另一端分别连接三极管Q1的基极和光敏二极管PD1的阳极，所述三极管Q1的集电极通过GPI-1接口连接MCU控制器，所述发光二极管LED1的阴极通过GP0-1接口连接MCU控制器。
5.如权利要求4所述的一种物联网智能燃气表双速光电采样方法，其特征在于：所述发光二极管LED1与光敏二极管PD1相对设置，所述内圈（8）为六个均匀分布的弧形状，所述内圈（8）随编码盘（2）旋转间断的切断发光二极管LED1发射端和光敏二极管PD1接收端之间的通路。
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