一种智能光电直读器.pdf

一种智能光电直读器，包括：单片机、通讯接口组件、直流供电组件、多组由多对光敏接收管、光发射管对管组成的光电传感器组件的光电传感译码器组件，使用单片机内部RC振荡器作为系统时钟，采用修改用于标定RC振荡器的OSCCAL寄存器数据的方法标定RC振荡器，每组光电传感器组件的光敏接收管与光发射管由单片机的端口独立供电，光电传感译码器组件的对应位置的光电对管的公用端由同一单片机的端口控制，测量数据经(ADC)具体量化的方法，扫描测量光电传感器的外界光和实际测量的感应信号与光电传感器对管的电气性能状态，能动态调整“0”、“1”逻辑电平比较阀值，能在光电传感器的状态错误时，启用编码冗余补偿算法纠正数据，数据信息采用效验运算后、不同地址备份保存，具有抗干扰能力强，成本低的特点。

1、  一种智能光电直读器，包括：单片机、通讯接口组件、直流供电组件、包含多组由多对光敏接收管、光发射管对管组成的光电传感器组件的光电传感译码器组件，其特征为：使用单片机内部RC振荡器作为系统时钟，采用修改用于标定单片机内部RC振荡器的OSCCAL寄存器数据的方法，出厂时预先标定RC振荡器和实际使用时在线标定RC振荡器；数据与其它参数信息保存于单片机内置EEPROM存储单元中，采用对需存储的信息数据进行效验运算，连同效验数据一起形成一组数据，在EEPROM存储单元中的不同的地址区域备份存储的方法保存数据；采用对光电传感译码器组件中的每组光电传感器组件的光敏接收管与光发射管由单片机的输出端口(VRn)、(VDn)独立供电，光电传感译码器组件的对应位置的光电对管的公共端由同一单片机的输出端口(VSn)控制的扫描测量，测量数据经模拟数字转换器(ADC)具体量化的方法测量光电传感器的感应信号与光电传感器对管的电气性能状态。

2、  根据权利要求1所述的智能光电直读器，其特征为：采用单片机的内置RC振荡器作为系统时钟源，选用的单片机内置RC振荡器的标定可通过修改OSCCAL寄存器的数据完成，内置RC振荡器采用出厂预先标定和现场使用重新临时标定相结合的标定方法，在智能光电直读器生产中，预先对内置RC振荡器进行标定，用于修正OSCCAL寄存器的预先标定数据与其它信息数据一起永久保存于单片机的EEPROM存储单元中，存储于一个或多个不同的地址单元中，智能光电直读器现场工作时，装载用于标定单片机的内置RC振荡器的OSCCAL寄存器的数据，同时对单片机的内置RC振荡器重新临时标定，。

3、  根据权利要求1、2所述的智能光电直读器，其特征为：修正OSCCAL寄存器的数据的方法为：通过由单片机外部输入接口输入的已约定好高电平或低电平宽度脉冲信号，通过单片机内部计数器对输入脉冲宽度计数，以及对计数值与预设值的比较运算，完成对重新内置RC振荡器的OSCCAL寄存器的数据的修正。

4、  根据权利要求1、2、3所述的智能光电直读器，其特征为：单片机内置RC振荡器的标定可由不同的使用要求，采用逐次精细比较，或有限次数的粗略比较，即通过由单片机外部输入接口输入的已约定好高电平或低电平宽度连续脉冲信号，进行逐次比较，实现精确标定，通过由单片机外部输入接口输入的已约定好高电平或低电平宽度单个或数量较少的脉冲信号，完成粗略标定。

5、  根据权利要求1所述的智能光电直读器，其特征为：每组光电传感器组件由一个取样电阻、一个限流电阻，多对包含光敏接收管、光发射管的光电对管组成，每组光电传感器组件的光发射管正极并联后，连接单片机的一个ADC输入端口(ADTn)，再串接限流电阻连接单片机的一个输出端(VDn)，每组光电传感器组件的光敏接收管的正极并联后，连接单片机的一个ADC输入端口(ARTn)，再串接取样电阻连接单片机的输出端口(VRn)，每对光电传感器对管的负极(VSn)连接，多组光电传感器组件中相对应位置的(VSn)连接后，连接单片机的一个输出端口(VSn)；通过控制单片机的对需检测的光电传感器组件对应的(VDn)输出低电平，(VRn)输出高电平，需检测的光电对管对应的(VSn)输出低电平，然后通过测量(ARTn)的感应信号，测量外部光照强度，判断光敏接收管的是否性能良好；通过控制单片机的对需检测的光电传感器组件对应的(VDn)输出高电平，(VRn)输出高电平，需检测的光电对管对应的(VSn)输出低电平，然后通过测量(ARTn)的稳定信号电平，测量光电传感器感应的信号，同时通过测量(ADTn)的信号电平，判断光发射管的是否性能良好。

6、  根据权利要求1、5所述的智能光电直读器，其特征为：任意光电传感器组件中的任意一对光电对管损坏，通过采用编码冗余补偿的方法，使光电译码传感器测量不受影响，输出正确的译码数据。

7、  根据权利要求1、5所述的智能光电直读器，其特征为：光电传感器组件扫描测量时，先测量外界光强度的光敏接收管的感应量，再测量光电传感器对管中光敏接收管的实际感应量，由测量到的外界光对应光敏接收管的感应量自动调整光敏接收管的实际感应量的“低电平”、“高电平”的比较阀值，即二进制“0”、“1”逻辑电平的比较阀值。

8、  根据权利要求1、5、7所述的智能光电直读器，其特征为：当检测到外部光线强度超过设定的阀值时，停止继续测量。

9、  根据权利要求1所述的智能光电直读器，其特征为：光发射管可采用红色可见光发光管作为光发射管。

一种智能光电直读器
技术领域：
本发明涉及一种智能光电传感器，适应于需要对机械计数器显示的读数进行电信号编码输出的计量仪器、仪表及设备，尤其是数传直读式水表、气表、电表等需要将计数器编码字轮转动位置对应的显示数字进行电信号编码输出的计量仪器、仪表。
背景技术：
目前自动远程抄表技术出现了一种通过加装光电传感器组件，读取一次计量仪表读数信息的装置，即光电直读式传感器装置，简称光电直读器。该装置通过对原机械计数器装置的计数器字轮作技术改造，采用光电传感器部件，将计数器字轮上的“0”-“9”十个数字转化为数字编码信号，通过接口，直接将读数输出到远端抄表设备，该直读装置平时不需要供电，只有需要抄表时才瞬间供电，解决了以前脉冲抄表系统中的的长期供电问题。随着技术的发展，光电直读技术在近两年得到了较快的发展，但已有的用于计量仪器、仪表的智能光电直读器，其不足较为明显：1、容易受外部光线干扰，当外部光线太强时，容易出现测量误码，为减低外部光线对光电直读器的影响，很多厂家选用远红外的红外光电对管，但光电直读器所处环境的外界光是一种广谱光，当外界光达到一定强度，即使使用远红外光电对管，也不能有效解决光干扰问题；2、多数产品采用开关量测量原理，少数虽然采用模数转换(ADC)技术，但“0”、“1”逻辑分界阀值采用固定值，不能有效的抵抗外干扰的问题；3、如采用单片机内部RC振荡器时，因为RC振荡器的不稳定性，容易导致通讯不稳，造成数据传输失常，所以多数厂家均采用外接晶体振荡器，导致成本增加，体积加大；4、光电直读器的初始化数据以及测量数据，均保存于EEPROM存储单元中，EEPROM存储器在单片机系统工作不稳的情况下，如存储处理技术不够，将导致保存的数据容易丢失；5、必须采用红外对管作光电传感器，不能使用可见光的发光管配合光敏接收管使用，成本高，制作过程不直观；6、通常一个智能光点直读器内有几十个光敏接收管和光发射管，一旦任意一个光敏接收管或光发射管损坏，将导致整个光电直读器测量失准，甚至导致整个光电直读器报废，将大大增加使用成本，由于以上多种缺陷的存在，导致智能光电直读器的使用成本增加，长期工作稳定性不高，导致推广难度加大。
发明内容：
本发明的设计目是：提供一种智能光电直读器，用于需要对机械计数器显示的读数进行电信号编码输出的计量仪器、仪表及设备，具备有外界光强度测量机制，可通过外界光的感应值决定是否继续测量，同时通过外界光的感应量调整光电测量的阀值；具备各光电传感器对管状态判别机制，通过判别光电传感器对管的状态，根据损坏情况，决定是否直接报错或启用冗余补偿编码纠偏功能；具备有内部RC振荡器自动校准机制；具备对需存储的信息数据进行效验运算，连同效验数据一起形成一组数据，在EEPROM存储单元中的不同的地址区域备份存储数据的机制；这样通过硬件与软件的结合，有效解决了抗外界光干扰问题、个别光电传感器对管损坏后的测量问题、在使用单片机内置RC振荡器的条件下的通讯频率稳定性问题，同时能使用红色发光管作光发射管，不但降低了光电直读器的制作成本，还增强了工作稳定性与可靠性。
本发明所提供的一种智能光电直读器，包括单片机、通讯接口组件、直流供电组件、多组由多对光敏接收管、光发射管对管组成的光电传感器的光电传感译码器组件，本发明为实现上述目的，通过以下技术方案来实现：
1、单片机采用内置有多路模拟数字转换器(ADC)、一个以上定时/计数器、可操作的用于标定内部RC振荡器的OSCCAL寄存器、可编程的串行USART接口以及多字节的EEPROM存储单元的单片机。
2、每组光电传感器组件由一个取样电阻、一个限流电阻，多对包含一个光敏接收管、一个光发射管的光电对管组成的光电传感器对管组成，每组光发射管正极并联后，连通单片机的一个ADC输入脚(ADTn)，再串接限流电阻直接连接单片机的一个输出引脚(VDn)，每组光敏接收管的正极并联后，连通单片机的一个ADC输入脚(ARTn)，再串接取样电阻直接连接单片机的输出引脚(VRn)，每对光电传感器对管的负极(VSn)连通，多组光电传感器组件中相对应位置的(VSn)连接后，直接连接单片机的一个输出引脚(VSn)；通过控制单片机的对需检测的光电传感器组件对应的(VDn)输出低电平，(VRn)输出高电平，需检测的光电对管对应的(VSn)输出低电平，然后通过测量(ARTn)的稳定信号电平，测量外部光照强度，通过测量(ARTn)的非稳稳态信号电平，判断光敏接收管的是否性能良好；通过控制单片机的对需检测的光电传感器组件对应的(VDn)输出高电平，(VRn)输出高电平，需检测的光电对管对应的(VSn)输出低电平，然后通过测量(ARTn)的稳定信号电平，测量光电传感器感应的信号，同时通过测量(ADTn)的信号电平，判断光发射管的是否性能良好，如检测到光电传感器对管中出现损坏，且满足任意光电传感器组件中的任意一对光电对管损坏，将通过采用编码冗余补偿的方法，使光电译码传感器测量不受影响，输出正确的译码数据，编码冗余补偿的方法在例证中详细说明。
3、由于硬件电路已具备测量外界光强度，同时将外界光强度的感应值经单片机内置ADC单元数字量化的机制，本发明提供的智能光电直读器在光电传感器组件扫描测量时，先测量外界光强度的光敏接收管的感应量，再测量光电传感器对管中光敏接收管的实际感应量，由测量到的外界光对应光敏接收管的感应量自动调整光敏接收管的实际感应量的“低电平”、“高电平”，即二进制“0”、“1”电平的比较阀值，从而简单的实现了动态电平阀值测量，进一步提高了光电直读器的抗光干扰性能。
4、众所周知，RC振荡器是一种稳定性能较差的时钟源，采用单片机的内置RC振荡器作为系统时钟源，由于RC振荡器本身的稳定性问题以及单片机出厂时的精度问题，未经处理，一般不能用于稳定的通讯系统中，本发明通过出厂标定和现场使用重新临时标定的方法，实现采用内置RC振荡器作为系统时钟，达到稳定通讯的性能。选用的单片机内置RC振荡器的标定可通过修改OSCCAL寄存器的数据进行标定，在智能光电直读器生产中，预先对内置RC振荡器进行标定，用于修正OSCCAL寄存器的数据永久保存于单片机的EEPROM存储单元中，存储于一个或多个不同的字节单元中，智能光电直读器工作时，装载用于修正OSCCAL寄存器的数据，同时对该数据重新临时修正，其标定方法为：通过由单片机外部输入接口输入的已约定好脉冲信号长度，脉冲高低信号占空比的标准脉冲信号，通过单片机内部计数器对输入脉冲宽度计数，通过对运算数据的运算，完成对重新内部RC振荡器的OSCCAL寄存器的数据的修正。
5、单片机内置RC振荡器的标定可由不同的使用要求，采用逐次精细比较，或有限次数的粗略比较，即通过由单片机外部输入接口输入的已约定好高电平或低电平宽度连续脉冲信号，进行逐次比较，实现精确标定，通过由单片机外部输入接口输入的已约定好高电平或低电平宽度单个或数量较少的脉冲信号，完成粗略标定。
6、为解决EEPROM存储单元中的数据容易丢失的问题，采用采用对需存储的信息数据进行效验运算，连同效验数据一起形成一组数据，在EEPROM存储单元中的不同的地址区域备份存储的方法保存数据，由于EEPROM存储器遭攻击时，不坏损坏整个存储区域的信息，存储的信息数据效验保存，通过反效验运算，即可判别数据是否正确，因数据分不同区域备份保存，在任何条件下，至少具有一组正确的数据，然后通过正确的数据，修正遭破坏的数据，解决了EEPROM存储单元中的数据容易丢失的问题。
7、由于具备有外界光强检测电路，可选择对红色光波段敏感度为峰值敏感度的70％左右的光敏管作为光电传感器对管中的光敏接收管，而实现采用红色发光管作为光发射管。
本发明的优点在于：在不增加硬件成本的情况下，通过硬件和软件的结合，设计出高性能的智能光电直读器，解决了抗使用环境外界光干扰问题、光电传感器故障问题、使用内置RC振荡器的系统时钟稳定性问题，并能使用价格比较低廉的红色发光二极管作为光发射管，具有性能可靠，成本低等优点。
附图说明：
图1：本发明实施例电原理示意图。
图2：本发明的RC振荡器标定一个实施例的工作流程示意图
具体实施方式：
下面结合附图，对本发明做进一步的说明：
如图1所示：本实施例所提供的智能光电直读器，包括：单片机、通讯接口组件、直流供电组件、多组由多对光敏接收管、光发射管对管组成的光电传感器的光电传感译码器组件，在图1中，使用由5对光敏接收管、光发射管对管组成光电传感器，由n组光电传感器组成光电传感译码器，其中光电传感译码器给出了详细的电气原理连接图，在图1中，Dn-m，与Qn-m(m表示1-5的标示数)组成一对光发射管、光敏接收管对管，Dn-1，与Qn-1到Dn-5，与Qn-5共5对光敏接收管、光发射管对管组成一组光电传感器，在图中所有网路标识为VS1的器件引脚连接在一起，所有网路标识为VS2的器件引脚连接在一起，所有网路标识为VS3的器件引脚连接在一起，所有网路标识为VS4的器件引脚连接在一起，所有网路标识为VS5的器件引脚连接在一起。
由图1可以看出：经单片机嵌入的程序，控制VRn与VDn即可控制第n组光电传感器组件的光敏接收管与光发射管的供电，然后将单片机的VSn端口依次拉低，即可对第n组的第n对光电对管进行扫描，现以第一组光电传感器组件为代表，详细描述光电测量的工作原理与过程：第一组光电传感器组件由光敏接收管Q1-1、Q1-2、Q1-3、Q1-4、Q1-5，光发射管D1-1、D1-2、D1-3、D1-4、D1-5组成，光发射管可采用红色发光二极管，其中Q1-n与D1-n组成一对光电对管，图中光敏接收管采用NPN型，5个接收管的C极连通，串接取样电阻R1-1，由单片机的输出端口：VR1直接供电，光电感应信号输入单片机的ADC输入端口ADR1，由单片机对输入的模拟信号进行数字量化处理，设工作时的光电感应信号为：Vsin；5个光发射管的正极连通，串接限流电阻R1-2，由单片机的输出端口：Vd1直接供电，光发射管的正极连接单片机的ADC输入端口ADT1，由单片机对光发射管的正向导通压降进行数字量化处理，设工作时的光发射管的正向导通压降为：Vf。
外界光强度与光电传感器对管的状态测量，以及逻辑判断电平的调整方法描述如下：
经单片机嵌入的程序控制，使VR1输出高电平，VD1输出低电平，此时，光发射管由于无供电，将不会发光，依次拉低VS1-VS5，光敏接收管所感应的信号依次为第1对到第5对光电对管所处环境的外界光信号Vsin-n(n表示第1-5路的独立信号)，单片机嵌入的程序已预置外界光强度的阀值Vref1，当Vsin-n低于Vref1时，此时检测到的外界环境光线太强，将停止继续测量；当Vsin-n的值不满足光敏接收管的电特性时，将报光敏接收管状态错误，如状态出错的光敏接收管在同一组光电传感器组件中的数量超过1个时，将不能启用编码冗余纠错运算，将停止继续测量，如状态出错的光敏接收管在同一组光电传感器组对此两组5位二进制编码进行译码，得到直读数据，即计数器显示的“0”-“9”的数字，再结合译码数据以及由单片机内置EEPROM中存储的历史数据进一步分析，即可得到准确的译码数据，完成本发明中任意光电传感器组件中的任意一对光电对管损坏后的正常工作。
如图2所示：本实施例所提供的智能光电直读器RC振荡器的标定过程如下：本发明在实际使用中，将与其管理设备结合使用，共同组成一个应用系统，管理设备具有高稳定性能的系统工作时钟，在出厂标定时，将由管理设备发出具有预定宽度的脉冲串，其宽度设为“T”，智能光电直读器通过其“通讯接口组件”接收该脉冲串信号，同时启动单片机内部“计数器”工作，假设单片机内部“计数器”对“T”宽度的脉冲的计数值为“Tcnt”，计算“T”与“Tcnt”的差值，同时根据差值修正OSCCAL的寄存器的数据，当“T”与“Tcnt”的差值满足正常工作要求使用时，将用于修正OSCCAL的寄存器的数据写入单片机内置的EEPROM中，写入的位置可分一个或多个单元，做永久保存，当“T”与“Tcnt”差值不能满足正常工作要求使用时，启动下一个比较周期，直到满足要求，写入EEPROM中为止，该过程可称为逐次比较过程；当应用系统在实际现场使用时，先装载用于修正OSCCAL寄存器的数据，但由于现场使用的环境不同，单片机内置RC振荡器可能出现漂移，需要重新进行临时标定，现场使用同样可以使用以上的逐次比较法，也可使用简易标定，即由管理设备发出一个具有预定宽度“T”的脉冲或有限的多个脉冲串，启动单片机内部“计数器”工作，假设单片机内部“计数器”对“T”宽度的脉冲的计数值为“Tcnt”，计算“T”与“Tcnt”的差值，由差值与实验室的经验数据结合，完成现场临时标定，该标定数据不作永久保存，完成临时标定后转正常工作。
下面在结合实际应用例说明数据存储处理的一种方式：
保存格式为：需保存的数据项+效验位。
假设需保存的数据为：0X01、0X12、0X23、0X34、0X56共5个字节。
效验采用1个字节长度二进制算术累加运算，即对的校验码为一个字节，对前面5个字节长度的需保存的数据进行二进制算术累加，不计超过FFH的溢出值，经计算：效验码的值为0XC0。
加上效验码后，形成的需保存的数据为：0X01、0X12、0X23、0X34、0X56、件中的数量为1个时，将记录该光敏接收管的位置，即建立光敏接收管的状态标志表，同时继续测量；当Vsin-n高于Vref1时，此时检测到的外界环境光线没有超出使用范围，可继续测量，将检测到的Vsin-n按一定的比例运算后，将得到实际测量时的“0”、“1”逻辑电平比较阀值Vref-n，当外界环境光强度测量完成后，由单片机控制，进入实际工作测量，由单片机控制，使VR1、VD1同时输出高电平，此时，光发射管由于供电状态，如VSn拉低，光发射管，将会发光，依次拉低VS1-VS5，光敏接收管所感应的信号依次为第1对到第5对光电对管，包含该光敏接收管所处环境的外界光感应分量叠加在一起光电转换信号Vsin-n(n表示第1-5路的独立信号)，用上一步得到的“0”、“1”逻辑电平比较阀值Vref-n作为参考值，完成Vsin-n的“0”、“1”逻辑转换，实现通过测量外界环境光强度，实现随外界环境光变化，测量逻辑分界电平值自动调整的测量过程。在测量光电感应信号的同时，将一起检测光发射管的状态，测量方法为将光发射管的正极连接单片机的一个ADC输入端口(ADT1)，量化光发射管的Vf，如该值偏离所采用的光发射管的电气参数较大，则该管状态不正确，再结合上一步判断的光敏接收管的状态标志表进一步分析，如光敏接收管也出现坏管，同时坏管与光发射管的坏管非配对的对管，将无法启用编码冗余纠错处理，报错退出测量。依此类推，对第二组光电传感器组、直至第n组光电传感器组依次扫描测量，测量顺序可以不按顺序，也可以先测量所有的环境外界光强，再作实际工作测量，通过以上方法，完成了对所使用的光电传感器对管所处环境外界光强，动态调整“0”、“1”逻辑电平的阀值，以及完成对所有光电传感器器件的状态检测，建立“光电传感器状态标志表”。
在通过硬件技术完成光电扫描测量后，在结合软件处理技术，完成数据译码处理，对任意光电传感器组件中的任意一对光电对管损坏，通过采用编码冗余补偿的方法，使光电译码传感器测量不受影响，输出正确的译码数据的具体运算过程描述：5位传感器能组成32个编码，当5位传感器中损坏1位时，将还存在4位传感器能输出正确的4位二进制编码，而损坏的传感器只有两种逻辑状态：即“0”或“1”，用此两种状态，通过查询硬件测量中形成的“光电传感器状态标志表”，补偿正常的4位二进制编码，将形成两组5位二进制编码，0XC0，共6个字节。
假设在EEPROM存储单元中，分两个不同的地址保存数据与备份数据，假设一组数据保存于0X0010起始的存储单元中，一组数据保存于0X0090起始的存储单元中，这样就保存了两组数据。
分析数据是否正确时，先读取存储的数据项，对前5个字节进行二进制算术累加运算，得到计算出的新效验码，将新效验码与第6字节的原效验码比较，如两个数值一样，则读取的数据正确，如两个数值不一样，则读取的数据错误，然后将正确的数据组重新写入读出错误的EEPROM存储单元中，完成数据修正。在数据存储的处理过程中，效验计算方法可多种多样，保存格式与备份数量也可多种多样，不再一一例证。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，如单片机的选用不同、EEPROM采用外置芯片、存储方式与效验方式不同等等，但凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明权利要求的保护范围内。