基于共享时间戳的激光测距同步与异常诊断方法及系统与流程

本发明涉及工业传感器数据通信与在线诊断，具体涉及一种同时支持ssi实时距离输出和工业以太网诊断数据传输的基于共享时间戳的激光测距同步与异常诊断方法。

背景技术：

1、目前，中高端工业激光测距仪（如leuze ams 348i、pepperl+fuchs vdm100）普遍采用ssi（synchronous serial interface，同步串行接口）+工业以太网双接口架构，来进行数据传输，但是，前述接口架构存在以下核心缺陷：

2、（1）双接口数据相互独立，无法精确关联：ssi输出由外部主设备时钟驱动，以太网数据由协议栈异步发送，两者无统一时间基准，同一时刻的距离值与诊断数据可能存在数十毫秒偏差，无法一一对应。

3、（2）异常根因定位困难：当现场出现距离跳变、回波丢失等偶发异常时，维护人员无法将ssi输出的异常值与激光回波信号对应的原始回波波形关联起来（即ssi帧与原始回波波形无法关联），只能凭经验猜测原因。

4、（3）诊断与实时模式互斥：现有产品读取原始波形需切换到诊断模式，会暂停或降低ssi输出，影响生产线连续运行，且偶发异常在暂停后往往不再复现，难以捕获有效数据。

5、由此，基于前述不足，如何提供一种可在不中断ssi实时输出的情况下，实现ssi帧与诊断数据的精确关联的激光测距同步与异常诊断方法，已成为了一个亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于共享时间戳的激光测距同步与异常诊断方法及系统，用以解决现有技术所存在的双接口数据相互独立，无法精确关联，异常根因定位困难以及诊断与实时模式互斥的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，提供了一种基于共享时间戳的激光测距同步与异常诊断方法，应用于工业激光测距仪，所述工业激光测距仪通过ssi接口通信连接外部plc设备，以及通过以太网接口通信连接上位机，所述工业激光测距仪中配置有自由运行计数器，所述ssi接口、所述工业激光测距仪和所述以太网接口共享所述自由运行计数器输出的时间戳，且所述方法包括：

4、在响应于外部plc设备发送的ssi时钟信号后，生成ssi实时数据流，其中，所述ssi实时数据流包括若干ssi帧、各ssi帧对应的激光测距距离以及帧时间戳，且任一ssi帧的帧时间戳是基于自由运行计数器所得到的；

5、在接收到激光回波信号后，实时生成以太网诊断数据，其中，所述以太网诊断数据包括激光回波信号对应的原始adc波形，以及原始adc波形对应的信噪比、回波幅度和信号时间戳，且所述信号时间戳是基于自由运行计数器所得到的；

6、基于ssi实时数据流和以太网诊断数据，进行激光测距异常诊断，并在异常触发后，生成以太网诊断包，其中，所述以太网诊断包包括异常时间戳以及异常时间戳在原始adc波形中所对应的原始波形；

7、将以太网诊断包发送至上位机，以使上位机在接收到以太网诊断包后，基于以太网诊断包中的异常时间戳，从工业激光测距仪中读取出与异常时间戳相匹配的帧时间戳所对应的ssi帧，作为异常ssi帧，并与原始波形进行关联输出。

8、基于上述公开的内容，本发明通过在工业激光测距仪中配置自由运行计数器，来通过自由运行计数器为ssi接口、测距核心以及以太网接口提供统一时间基准，从而使ssi帧与诊断数据（原始adc波形）共源同步，这从根本上解决了传统架构中ssi与以太网数据独立、时间基准不一所导致的数十毫秒偏差的问题，确保了同一时刻时的距离值与诊断数据的严格对应；同时，基于实时ssi数据流和以太网诊断数据来进行异常检测，并在异常触发时，将包含异常时间戳和异常时间戳对应的原始波形的诊断包上传至上位机，从而使上位机据此来准确检索并关联同一时刻的ssi帧，进而实现“距离跳变—波形特征”的一一映射，如此，使得维护人员不再依赖经验猜测，能直接依据波形分析根因，大幅缩短了故障排查时间；此外，本发明在正常测距过程中持续生成诊断数据，异常触发后再打包上传，无需切换至专用诊断模式，不中断ssi实时输出，且偶发异常在全程监控下可被完整捕获，彻底解决了传统方案中“诊断与实时互斥”及“暂停后异常不复现”的行业痛点；基于此，本发明可为工业现场的高可靠性运行提供坚实保障，因此，非常适用于大规模应用与推广。

9、在一个可能的设计中，基于ssi实时数据流和以太网诊断数据，进行激光测距异常诊断，并在异常触发后，生成以太网诊断包，包括：

10、根据所述原始adc波形以及原始adc波形对应的信噪比和回波幅度，进行信号质量检测，以及根据各个ssi帧对应的激光测距距离，进行距离跳变检测；

11、若存在信号质量异常和/或距离跳变异常，则进行异常触发，以确定出信号质量异常对应的信号时间戳和/或确定出距离跳变对应的帧时间戳，作为所述异常时间戳；

12、基于所述异常时间戳和所述原始adc波形，确定出所述异常时间戳所对应的原始波形，以利用异常时间戳和异常时间戳所对应的原始波形，生成所述以太网诊断包。

13、在一个可能的设计中，根据所述原始adc波形以及原始adc波形对应的信噪比和回波幅度，进行信号质量检测，包括：

14、基于所述原始adc波形对应的回波幅度，确定出所述激光回波信号的回波峰值；

15、判断所述回波峰值是否小于预设峰值、所述信噪比是否小于信噪比阈值，和/或连续多个目标波形是否为无效回波，其中，多个目标波形为所述激光回波信号对应的原始adc波形和处于所述激光回波信号之前的连续两个已采集的激光回波信号所对应的原始adc波形；

16、若是，则判定出所述工业激光测距仪存在信号质量异常；

17、相应的，根据各个ssi帧对应的激光测距距离，进行距离跳变检测，则包括：

18、判断所有ssi帧中是否存在有任意相邻的两ssi帧间的激光测距距离的差值大于预设值；

19、若是，则判定所述工业激光测距仪存在距离跳变异常。

20、在一个可能的设计中，当存在信号质量异常和/或距离跳变异常时，所述方法还包括：生成异常类型，并将异常类型添加至以太网诊断包中，以共同传输至上位机，其中，异常类型包括回波幅度异常、距离跳变异常、连续丢帧和/或信噪比异常。

21、在一个可能的设计中，基于所述异常时间戳和所述原始adc波形，确定出所述异常时间戳所对应的原始波形，包括：

22、继续接收若干激光回波信号，以生成若干目标adc波形存储至缓存区中，其中，所述缓存区中还存储有当前的激光回波信号之前的若干激光回波信号对应的历史adc波形；

23、将异常时间戳对应的原始adc波形，作为起点帧波形；

24、从缓存区存储的各个波形中，截取出处于起点帧波形之前的连续多个历史adc波形以及处于起点之后的连续多个目标adc波形，以作为关联帧波形；

25、利用所述起点帧波形和所述关联帧波形，组成所述异常时间戳所对应的原始波形。

26、在一个可能的设计中，所述任一ssi帧的帧时间戳，为该任一ssi帧的起始时刻时，所述自由运行计数器所输出的时间戳，其中，在生成ssi实时数据流后，所述方法还包括：将所述ssi实时数据流存储至工业激光测距仪中的fpga的环形缓冲区内，以便上位机从所述环形缓冲区中读取出与所述异常时间戳相匹配的帧时间戳所对应的ssi帧，作为异常ssi帧；

27、相应的，所述激光回波信号对应的信号时间戳则是将以太网诊断数据存入mac发送缓冲区时，所述自由运行计数器所输出的时间戳。

28、在一个可能的设计中，相邻两次异常触发之间设置有最短允许时间间隔，且异常触发设置有最大触发频率，其中，当超出最大触发频率后，再次触发异常仅记录异常日志，而不重复生成以太网诊断包。

29、第二方面，提供了一种基于共享时间戳的激光测距同步与异常诊断系统，应用于工业激光测距仪，其中，所述工业激光测距仪通过ssi接口通信连接外部plc设备，以及通过以太网接口通信连接上位机，其中，所述工业激光测距仪中配置有自由运行计数器，所述ssi接口、所述工业激光测距仪和所述以太网接口共享所述自由运行计数器输出的时间戳，且工业激光测距仪包括：

30、ssi接口模块，用于在响应于外部plc设备发送的ssi时钟信号后，生成ssi实时数据流，其中，所述ssi实时数据流包括若干ssi帧、各ssi帧对应的激光测距距离以及帧时间戳，且任一ssi帧的帧时间戳是基于自由运行计数器所得到的；

31、回波接收与adc采样模块，用于在接收到激光回波信号后，实时生成以太网诊断数据，其中，所述以太网诊断数据包括激光回波信号对应的原始adc波形，以及原始adc波形对应的信噪比、回波幅度和信号时间戳，且所述信号时间戳是基于自由运行计数器所得到的；

32、异常检测模块，用于基于ssi实时数据流和以太网诊断数据，进行激光测距异常诊断，并在异常触发后，生成以太网诊断包，其中，所述以太网诊断包包括异常时间戳以及异常时间戳在原始adc波形中所对应的原始波形；

33、以太网接口模块，用于将以太网诊断包发送至上位机，以使上位机在接收到以太网诊断包后，基于以太网诊断包中的异常时间戳，从工业激光测距仪中读取出与异常时间戳相匹配的帧时间戳所对应的ssi帧，作为异常ssi帧，并与原始波形进行关联输出。

34、第三方面，提供了一种基于共享时间戳的激光测距同步与异常诊断装置，以装置为电子设备为例，包括依次通信相连的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如第一方面或第一方面中任意一种可能设计的所述基于共享时间戳的激光测距同步与异常诊断方法。

35、第四方面，提供了一种存储介质，所述存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面或第一方面中任意一种可能设计的所述基于共享时间戳的激光测距同步与异常诊断方法。

36、第五方面，提供了一种包含指令的计算机程序产品，当指令在计算机上运行时，使所述计算机执行如第一方面或第一方面中任意一种可能设计的所述基于共享时间戳的激光测距同步与异常诊断方法。

37、有益效果：

38、（1）本发明通过在工业激光测距仪中配置自由运行计数器，来通过自由运行计数器为ssi接口、测距核心以及以太网接口提供统一时间基准，从而使ssi帧与诊断数据（原始adc波形）共源同步，这从根本上解决了传统架构中ssi与以太网数据独立、时间基准不一所导致的数十毫秒偏差的问题，确保了同一时刻时的距离值与诊断数据的严格对应；同时，基于实时ssi数据流和以太网诊断数据来进行异常检测，并在异常触发时，将包含异常时间戳和异常时间戳对应的原始波形的诊断包上传至上位机，从而使上位机据此来准确检索并关联同一时刻的ssi帧，进而实现“距离跳变—波形特征”的一一映射，如此，使得维护人员不再依赖经验猜测，能直接依据波形分析根因，大幅缩短了故障排查时间；此外，本发明在正常测距过程中持续生成诊断数据，异常触发后再打包上传，无需切换至专用诊断模式，不中断ssi实时输出，且偶发异常在全程监控下可被完整捕获，彻底解决了传统方案中“诊断与实时互斥”及“暂停后异常不复现”的行业痛点；基于此，本发明可为工业现场的高可靠性运行提供坚实保障，因此，非常适用于大规模应用与推广。