CN1236281C - 机械字轮电子数字化方法及其无源自动抄表系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机械字轮电子数字化方法及其无源自动抄表系统。它公开了在机械字轮的同一圆周上即同一条线上进行0、1绝对式编码，公开了在同一圆周上传感器的排列方法及其检测装置。由绝对式编码表、网关式集中器、集抄器、4线制485总线(其中2根为电源线，2根为485信号线)等设备构建一个2层网络结构的、低功耗的无源自动抄表系统。系统平常停电，在抄表时才供电。一条线上绝对式编码方法占用面积很少，容易加工，传感器的安装方便。2层结构无源自动抄表系统维护工作少，功耗低，机械读数与电子读数完成一致，可靠性高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械字轮电子数字化方法及其无源自动抄表系统。
背景技术
机械字轮计数器被广泛地应用于电表、气表、水表、里程表以及其它累积式计量仪表上，由于其结构简单，价格便宜，工作可靠，在很长一段时间内都是一个不可替代的计量方式。这些机械表具，由若干位字轮组成，通常为机械读数。然而，随着技术的发展，往往要求这些机械装置能够以电子化、数字化的形式输出计量结果，以便远程传输给计算机系统，便于计算和管理。
当前，已经提出了一些电子数字化的方法，其中一种是通过脉冲式计数进行数字化处理，即，对于某一转动机械采用光、磁等效应产生脉冲式电信号。这种方法存在一些缺点：
(1)机械读数和电子脉冲计量结果(电子读数)，往往不统一，这样会产生一些纠纷；
(2)电子脉冲容易受到干扰，被干扰而产生的误差被永久地记录在结果中；
(3)电子脉冲的测量系统往往需要电池供电，这需要微功耗设计，这也限制了一些先进测量技术的应用。
最近几年，也有人提出了一些直接对机械字轮进行检测识别的方法，主要有光、磁、电(电阻)等检测方式。现有的检测方法的特点是，
(1)电阻式检测方法是一种接触式检测方法，不利于产品的长期稳定和计量精度；
(2)字轮径向平面上的编码，n位编码就需要n道圆周，占用面积大，由于字轮安装紧凑，不便于安装检测器件；
(3)在一个圆周上即一条线上的编码，至今很少有人讨论如何计算绝对式循环编码、传感器的数目，以及如何划分字轮和安装传感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种机械字轮电子数字化方法及其无源自动抄表系统。
方法是：在机械字轮的同一圆周上即同一条线上进行0、1绝对式循环编码，并在同一圆周上安装7个或8个传感器，传感器的输出信号经过8位A/D采样后，由信号的最大值、最小值计算阈值，输出0、1编码。
系统是：掌上电脑、计算机管理信息系统分别经红外接口、电话网与集抄器相接，集抄器经4线制485总线与网关式集中器1、网关式集中器2……相接，网关式集中器1、网关式集中器2……分别与绝对式编码表1、绝对式编码表2……相接，由绝对式编码表、网关式集中器、集抄器、4线制485总线构建一个2层网络结构的、低功耗的无源自动抄表系统。
本发明的优点：
1)一条线上绝对式编码方法占用面积少，容易加工，比如在字轮正面数字的旁边印上反光膜或磁性材料即可；
2)编码的误差容易控制和计算；
3)有利于设计传感器的安装位置和检测方法；
4)绝对式编码表同时具有机械读数和电子读数，并且保持完全一致；电子读数装置不影响原来一次仪表的计量精度；
5)绝对式编码表自动识别字轮位置，不是脉冲累加式计量，无需初始化，抄表系统维护工作量少；
6)无源抄表系统直接传送数码，而非脉冲信号，即使出现误差，也是不累计在结果中，所以在复杂的使用环境下也能稳定、准确、可靠地实现计量；
7)无源抄表系统日常工作无需供电，避免了由于供电不稳定、不可靠或故障引起的计量误差及大量的维护工作；
8)由于无源抄表系统记忆的是字轮位置，而非脉冲，因此水表即使发生倒转情况时，自动抄表数据与一次表具的读数保持完全一致；
9)采用2层网络结构，可以降低485总线的通信电流，特别是在电池供电的情况下，也有利于故障定位和隔离，便于系统维护。
附图说明
图1是标识特殊记号及其安装传感器的示意图；
图2是无源自动抄表系统结构示意图；
图3是无源自动抄表系统中网关式集中器的电气原理图。
具体实施方式
机械字轮电子数字化方法的关键技术是在字轮同一圆周上的绝对式编码方法，包括两个方面，(1)机械字轮的绝对式编码方法；(2)传感器的安装角度和检测方法。
实现机械字轮电子数字化的目的是构建一个无源自动抄表系统。“无源”的含义是，平时不向表具和通信网络供电，需要抄表时才供电。“自动”的含义是，在通信网络的基础上，可以由掌上电脑(手抄机、PDA)自动抄表，或者通过MODEM实现远程自动抄表。由于一些表具，如水表、煤气表，有时需要电池供电。因此，无源自动抄表系统的基本要求是低功耗。
为了正确无误地识别0、1、2、3、4、5、6、7、8、9等10个数字，特别要注意低位字轮在从9到0转动过程中时，机械读数也处于临界位置。所以，我们至少需要识别20个位置，包括0到9等10个数字的位置及其10个数字之间的临界位置。识别的位置越多，精度越高，需要的传感器也就越多，成本就越高。所以我们只要识别20个位置即可。这是以往专利所没有考虑的问题。
如图1，这20个位置分别叫做0、09、9、98、8、87、7、76、6、65、5、54、4、43、3、32、2、21、1、10，其中0表示数字0的位置，09表示数字9和0之间的临界位置。这20个位置均匀分割，每个位置占18度。
用1、0表示某个位置是否涂上特殊记号，编码0，1，0，1，1，1，0，0，1，1，1，1，1，0，1，0，0，0，0，1表示，涂上特殊记号的位置有10、21、2、32、4、54、5、65、6、7、09。这个编码把圆周分为5段，即涂上特殊记号的弧有：(1)10；(2)21、2、32；(3)4、54、5、65、6；(4)7；(5)09。
其它编码有，
(1)0，1，0，1，0，0，0，0，0，1，1，0，0，0，1，0，1，1，1，1；
(2)0，1，1，1，1，0，1，0，1，0，0，0，1，1，0，0，0，0，0，1；
(3)0，1，1，0，1，0，1，0，0，0，0，0，1，1，1，0，0，0，1，0；
(4)0，0，0，0，0，1，0，1，0，0，1，0，0，0，1，1，0，1，1，1；
(5)0，1，0，1，1，1，0，1，0，0，1，0，0，0，1，1，0，0，0，0；
(6)1，0，0，1，0，1，0，1，1，0，0，0，0，0，1，0，0，1，1，1；
(7)1，0，1，0，0，0，1，0，1，0，1，1，1，1，0，0，0，0，0，1；
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(9)1，0，0，1，0，1，0，1，1，0，0，0，0，0，1，1，0，1，1，1；
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(11)0，1，1，0，1，0，1，0，0，1，1，1，1，0，1，1，0，0，0，0；
(12)1，1，1，1，0，1，0，0，1，0，1，1，0，0，0，0，0，1，1，0；
(13)0，0，0，0，0，1，0，1，1，1，1，1，0，1，0，1，0，0，1，1；
(14)1，0，0，1，0，1，0，1，1，0，0，0，0，1，0，0，1，1，1，1；
(15)1，0，0，1，0，1，0，1，1，0，0，0，0，1，1，0，1，1，1，1；
(16)1，0，0，0，0，0，1，0，1，0，1，1，1，1，1，0，0，1，1，0；
(17)1，0，1，0，0，0，1，0，1，0，1，1，1，1，1，0，0，0，0，1；
(18)1，0，1，0，0，0，0，1，0，1，0，1，1，1，0，0，1，1，1，1；
(19)1，1，0，1，0，0，0，1，0，1，1，0，1，1，1，0，0，1，1，1；
(20)1，0，0，1，1，0，1，1，1，1，1，0，1，0，1，0，0，0，0，0；
(21)1，1，1，1，1，0，1，0，0，0，1，0，1，0，1，1，0，0，0，0；
(22)0，0，0，0，0，1，1，1，0，1，0，1，1，1，1，1，0，0，0，1；
(23)0，1，0，0，0，0，0，1，1，1，0，1，1，1，1，1，0，0，0，1；
(24)0，1，1，1，1，1，0，0，1，0，0，0，1，1，0，0，0，0，0，1；
(25)0，1，1，1，1，1，0，0，0，1，1，0，0，1，0，0，0，0，0，1；等等。
这些编码的特点是，涂上特殊标记的弧为相隔的4段或5段；连续0或1的个数不超过5。这些编码经过取反、左右移位、左右对换等操作，其结果也是适用的。
传感器对于涂上特殊记号的位置敏感，传感器输出的信号设为高电平；对于没有涂上特殊记号的位置不敏感，传感器输出的信号设为低电平。一个字轮下所有传感器的输出决定了这个字轮的角度，也决定了视角方向看到的数字。
考虑如下3个技术条件，(1)为了保证传感器连续输出的相邻编码的汉明距离等于1。传感器的间隔要小于18度，并且任意两个传感器之间的夹角不是18的整数倍，比如15.7度。(2)一个字轮的传感器跨度要大于5个位置，即90度，这样保证传感器的输出信号中既有高电平，又有低电平。(3)能够识别20个位置。这些以往专利所没有考虑到的技术问题。
满足这3个技术条件的传感器个数至少为7个，一个可以实现的例子是按照15.7度等间隔安装。条件(1)有利于识别字轮的20个位置；条件(2)有利于取阈值，降低信号干扰；条件(3)有利于区分数字及其临界位置。这样，一个位置可能对应多个编码。
由此可见，特殊记号和传感器的角度分布决定了一个绝对式编码。
字轮实现绝对式编码后，可以方便地由单片机识别。发明绝对式编码的目的是，如图2，由表具(已经电子化)、网关式集中器、集抄器、4线制485总线(2根通信线、2根电源线)构建一个2层网络结构的、低功耗的无源自动抄表系统。
2层网络结构的关键设备是网关式集中器。如图3，网关式集中器的工作原理是，网关式集中器通过485总线驱动器U1与集抄器通信，通过485总线驱动器U6和继电器K2与下属的表具通信，继电器K2控制着通向绝对式编码表的485总线的电源、信号回路。当网关式集中器接收到数据包属于其下属的表具时，合上继电器，并且选择SELA＝1使得单片机的RXD、TXD信号与RXD0、TXD0连通。其中U3是一个译码器，平时SELA＝0使得单片机的RXD、TXD信号与RXD1、TXD1连通；译码器U3的逻辑表达式为：
RXD＝SELA*RXD0+！SELA*RXD1；
TXD0＝SELA*TXD；
TXD1＝！SELA*TXD。
实施例1：
编码是0，0，0，0，0，1，1，1，0，1，0，1，1，1，1，1，0，0，0，1。在位置32、3、43、54、65、6、76、7、87、09处涂上磁性材料，在每个字轮的下面安装8个霍尔器件，8个霍尔器件间隔15.7度，用于检测字轮的位置。这种方法适用于干式、湿式表。
实施例2：
编码是0，1，0，1，1，1，0，0，1，1，1，1，1，0，1，0，0，0，0，1。在位置10、21、2、32、4、54、5、65、6、7、09处涂上银白色，其它位置涂上黑色。
字轮编码圆周设计在字轮正面的数字的旁边。采用廉价的塑料光纤作为导光材料，每个传感器由一对光纤、一个发射管和一个接收管组成。这对光纤的一头尽量靠近字轮的涂(白、黑)颜色的位置处；另一头中的一条光纤对着发射管，另一条对着接收管。当光纤的一头对着字轮的白色区域时，发射管发出的光线经过光纤，射到字轮上后反射回来，并到达接收管，单片机判断为高电平1。当光纤的一头对着字轮的黑色区域时，发射管发出的光线经过光纤，射到字轮上后没有反射回来，接收管没有接收到光信号，单片机判断为低电平0。字轮下光纤的间隔15.7度。
这种方法主要适用于干式表。
Claims (6)
1.一种机械字轮电子数字化方法，其特征在于，机械字轮的同一圆周上即同一条线上进行0、1绝对式循环编码是：在每个字轮的正面数字的旁边，标上特殊记号，用于区分10个数字的位置及其10个数字之间的临界位置，共20个位置，这20个位置均匀分割，每个位置占18度，涂上特殊记号的位置的编码为1，没有涂上特殊记号的位置的编码为0，并在同一圆周上安装7个或8个传感器，传感器的输出信号经过8位A/D采样后，由信号的最大值、最小值计算阈值，输出0、1编码。
2.根据权利要求1所述的一种机械字轮电子数字化方法，其特征在于所说的标上特殊记号是：反光膜、磁性、导磁材料，其中反光膜采用光发射接收管检测、磁性材料采用霍尔器件检测，从而识别字轮的20个位置，同时根据低位字轮所处的位置，进一步识别高位的0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。
3.根据权利要求1所述的一种机械字轮电子数字化方法，其特征在于所说的在同一圆周上安装7个或8个传感器的间隔小于18度，并且任意两个传感器之间的间隔不是18度的整数倍。
4.一种无源自动抄表系统，其特征在于掌上电脑、计算机管理信息系统分别经红外接口、电话网与集抄器相接，集抄器经4线制485总线与多个网关式集中器相接，多个网关式集中器分别与多个绝对式编码表相接，由绝对式编码表、网关式集中器、集抄器、4线制485总线构建一个2层网络结构的、低功耗的无源自动抄表系统。
5.根据权利要求4所述的无源自动抄表系统，其特征在于所说的网关式集中器是：通向集抄器的4线制485总线接口直通连接，通向绝对式编码表的4线制485总线接口被一个继电器控制，需要时，网关式集中器才闭合继电器，打开通向绝对式编码表的4线制485总线的电源和信号回路。
6.根据权利要求4所述的无源自动抄表系统，其特征在于所说的集抄器的上行数据通过红外接口与掌上电脑交换数据，或者通过MODEM与远程的计算机管理信息系统交换数据；集抄器的下行数据必须经过网关式集中器，再与绝对式编码表具交换数据。
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