纸张间隙检测方法、纸张间隙检测装置及标签打印机与流程

本发明涉及新一代信息技术与智能制造，具体涉及智能传感、光电检测、嵌入式控制、多传感器信息融合及自适应信号处理，尤其涉及一种纸张间隙检测方法、纸张间隙检测装置及标签打印机。

背景技术：

1、在标签打印机、票据打印机及其他纸张传输设备中，通常需要检测相邻标签之间的间隙，并根据间隙位置控制走纸距离和打印位置。

2、现有检测方式主要根据光电检测信号与判定阈值之间的比较结果确定纸张状态。当纸张边缘经过检测位置，或者检测信号受到纸张光学特性变化、光路污染及瞬时噪声影响时，检测结果容易发生短时波动或持续异常。现有直接阈值判决方式难以区分短时信号波动与持续可靠性下降，容易将短时异常识别为纸张间隙，或者在检测信号持续异常时形成错误判决。因此，如何在光学检测结果出现不一致或波动时形成稳定的纸张间隙判决，成为需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种纸张间隙检测方法、纸张间隙检测装置及标签打印机，旨在解决单一光电检测方式在纸张透光率、表面反射率、环境干扰或传感器性能变化时容易发生纸张间隙误检和漏检的问题，通过对射检测与反射检测的同步采集、独立判决、交叉校验、冲突保持、置信仲裁及传感器退化处理，提高纸张间隙检测的准确性、稳定性、抗干扰能力和纸张适应能力。

2、本发明具体采用以下方案：一种纸张间隙检测方法，由嵌入式控制单元执行，包括如下步骤：

3、同步采样步骤：同步获取对射式光电传感器组和反射式光电传感器组在同一纸张检测区域生成的对射检测信号和反射检测信号；具体地，同步采样步骤中，对射式光电传感器组和反射式光电传感器组针对纸张传输通道内的同一纸张检测区域进行检测。对射式光电传感器组生成表征透射光通量的对射检测信号，反射式光电传感器组生成表征纸张表面反射光强度的反射检测信号。嵌入式控制单元通过两个模数转换通道在同一采样触发周期内获取对射检测信号和反射检测信号，使两个采样值对应相同的纸张运动时刻。同步采样可以由同一定时器同时触发两个模数转换通道，也可以由同一定时器依次触发两个模数转换通道，只要两次转换之间的时间差小于纸张边缘从一个检测光斑移动至另一个检测光斑所需时间。

4、独立判决步骤：将对射检测信号与对射判定阈值进行比较形成对射纸张状态判决，并将反射检测信号与反射判定阈值进行比较形成反射纸张状态判决；具体地，独立判决步骤中，嵌入式控制单元分别保存对射检测信号对应的对射判定阈值和反射检测信号对应的反射判定阈值。嵌入式控制单元将滤波后的对射检测信号与对射判定阈值进行比较，形成对射纸张状态判决；嵌入式控制单元还将滤波后的反射检测信号与反射判定阈值进行比较，形成反射纸张状态判决。纸张状态判决采用有纸状态和无纸状态两种离散状态表示。比较方向根据对应信号调理电路的输出极性设定，低电平表示有纸状态时，检测信号低于对应判定阈值形成有纸状态判决；高电平表示有纸状态时，检测信号高于对应判定阈值形成有纸状态判决。

5、一致校验步骤：在对射纸张状态判决与反射纸张状态判决一致时，输出一致的纸张状态判决；具体地，一致校验步骤中，嵌入式控制单元比较同一采样周期形成的对射纸张状态判决和反射纸张状态判决。两个纸张状态判决均为有纸状态时，嵌入式控制单元将当前最终输出更新为有纸状态；两个纸张状态判决均为无纸状态时，嵌入式控制单元将当前最终输出更新为无纸状态。两个纸张状态判决重新一致后，嵌入式控制单元清零冲突计时值，并结束当前冲突处理周期。

6、冲突保持步骤：在对射纸张状态判决与反射纸张状态判决不一致时记录冲突持续时长，并在冲突持续时长未达到冲突持续阈值期间维持前一纸张状态判决；具体地，冲突保持步骤中，嵌入式控制单元检测到对射纸张状态判决与反射纸张状态判决不一致时，启动冲突计时器。冲突计时器可以采用微控制器硬件定时器，也可以采用采样周期计数器实现。采用采样周期计数器时，每经过一个采样周期将冲突计数值加一，再将冲突计数值与采样周期相乘得到冲突持续时长。冲突持续时长未达到冲突持续阈值期间，嵌入式控制单元不采用当前任一路纸张状态判决改变最终输出，而是保持冲突发生前已经确认的前一纸张状态判决。纸张边缘依次经过两个光学检测区域产生的短时错位、环境光瞬变和单次采样毛刺不会立即转化为无纸状态输出。

7、置信仲裁步骤：在冲突持续时长达到冲突持续阈值时，依据每一检测信号与对应判定阈值的距离、每一检测信号的波动程度以及每一历史纸张状态判决与历史最终输出的一致程度，分别生成对射置信度和反射置信度，并根据对射置信度与反射置信度的比较结果确定冲突判决输出；具体地，置信仲裁步骤中，冲突持续时长达到冲突持续阈值后，嵌入式控制单元分别计算对射置信度和反射置信度。每一路置信度至少反映三个方面：当前检测信号偏离对应判定阈值的程度、最近滑动窗口内检测信号的波动程度、对应纸张状态判决在历史仲裁中与历史最终输出保持一致的程度。检测信号与对应判定阈值之间的距离越大，当前判决越远离判定边界；滑动窗口内的检测信号波动越小，当前检测通道越稳定；历史纸张状态判决与历史最终输出的一致比例越高，当前检测通道近期运行可靠程度越高。

8、嵌入式控制单元比较对射置信度和反射置信度，并采用置信度较高的检测通道对应的纸张状态判决形成冲突判决输出。两路置信度差值未达到预设差值容差时，嵌入式控制单元继续保持前一纸张状态判决，避免两路置信度接近时最终输出在有纸状态和无纸状态之间频繁切换。

9、间隙确认步骤：在一致校验步骤或置信仲裁步骤输出的纸张状态判决由有纸状态转换为无纸状态且无纸状态连续达到间隙确认时长时，输出纸张间隙检测信号；具体地，间隙确认步骤中，嵌入式控制单元仅在当前最终输出从有纸状态转换为无纸状态时启动间隙计时。无纸状态连续保持达到间隙确认时长后，嵌入式控制单元输出纸张间隙检测信号。无纸状态在达到间隙确认时长之前重新转换为有纸状态时，嵌入式控制单元清零间隙计时值并取消本次间隙输出。纸张间隙检测信号可以采用软件状态标志、状态寄存器标志位或者数字脉冲表示，并由嵌入式控制单元发送至上层走纸控制模块。

10、上述处理形成同步采样、独立判决、一致校验、短时冲突保持、持续冲突仲裁和无纸状态持续确认的连续处理链路。对射检测受纸张透光率影响较大，反射检测受纸张表面反射率影响较大，两种检测结果共同参与最终判决后，可以降低单一纸张光学特性变化引起的间隙误检和漏检。

11、本发明的进一步方案，独立判决步骤为：嵌入式控制单元分别对对射检测信号和反射检测信号进行滑动平均滤波，滑动窗口包含64个连续采样值；对射判定阈值由对射基准值与0.4至0.6范围内的对射阈值系数相乘得到；反射判定阈值由反射基准值与0.5至0.7范围内的反射阈值系数相乘得到；对射基准值为预设数量的无纸状态滑动窗口内最大采样值的平均值，反射基准值为预设数量的有纸状态滑动窗口内最大采样值的平均值。

12、本发明的进一步方案，置信仲裁步骤中，对射置信度和反射置信度分别由对应的阈值距离评分、信号稳定性评分和历史一致性评分的加权和形成；阈值距离评分为对应检测信号与对应判定阈值差值的绝对值除以对应判定阈值；信号稳定性评分为一除以一与对应检测信号滑动窗口标准差之和；历史一致性评分为最近预设次数仲裁中对应纸张状态判决与历史最终输出一致的次数占预设次数的比例。

13、具体地，置信计算步骤分别针对对射检测通道和反射检测通道执行。

14、对射阈值距离评分按照下式计算：；

15、反射阈值距离评分按照下式计算：；

16、其中，对射阈值距离评分表示滤波后的对射检测信号相对于对射判定阈值的归一化距离，滤波后的对射检测信号表示当前对射滑动平均值，对射判定阈值表示当前对射判定边界；反射阈值距离评分表示滤波后的反射检测信号相对于反射判定阈值的归一化距离，滤波后的反射检测信号表示当前反射滑动平均值，反射判定阈值表示当前反射判定边界。采用归一化距离后，不同检测通道的原始信号幅值不同也能够进行置信度比较。

17、对射信号稳定性评分按照下式计算：；

18、反射信号稳定性评分按照下式计算：；

19、其中，对射信号稳定性评分表示对射检测信号在当前滑动窗口内的稳定程度，对射窗口标准差表示64个对射采样值的标准差；反射信号稳定性评分表示反射检测信号在当前滑动窗口内的稳定程度，反射窗口标准差表示64个反射采样值的标准差。嵌入式控制单元先计算滑动窗口内采样值的平均值，再计算每个采样值与平均值之差的平方和，平方和除以滑动窗口长度后进行平方根运算，得到对应窗口标准差。

20、历史一致性评分采用固定长度的仲裁记录队列进行计算。每次完成置信仲裁后，嵌入式控制单元记录对射纸张状态判决是否与最终输出一致，并记录反射纸张状态判决是否与最终输出一致。最近预设次数仲裁中，对射纸张状态判决与最终输出一致的次数除以预设次数，得到对射历史一致性评分；反射纸张状态判决与最终输出一致的次数除以预设次数，得到反射历史一致性评分。仲裁记录数量未达到预设次数时，可以按照当前已有仲裁记录数量计算一致比例，也可以采用预设初始评分进行补足。对射历史一致性评分和反射历史一致性评分分别按照下式计算：；

21、其中，对射历史一致性评分表示对射纸张状态判决与历史最终输出的一致比例，对射一致次数表示历史统计窗口内对射纸张状态判决与历史最终输出一致的次数；反射历史一致性评分表示反射纸张状态判决与历史最终输出的一致比例，反射一致次数表示历史统计窗口内反射纸张状态判决与历史最终输出一致的次数，历史统计次数表示参与计算的仲裁记录数量。

22、对射置信度和反射置信度分别由对应阈值距离评分、信号稳定性评分和历史一致性评分的加权和形成。各项评分在参与加权前可以限制在0至1范围内。超过1的阈值距离评分可以截取为1，低于0的评分取0。各项评分采用相同数值范围后，权重能够直接反映三类评价信息在综合置信度中的占比。

23、本发明的进一步方案，阈值距离评分的权重为0.5，信号稳定性评分的权重为0.3，历史一致性评分的权重为0.2；对射置信度与反射置信度的差值绝对值小于0.1时维持前一纸张状态判决，对射置信度与反射置信度的差值绝对值达到0.1时输出数值较大的置信度对应的纸张状态判决。

24、本发明的进一步方案，冲突持续阈值在200微秒至1000微秒范围内设定；嵌入式控制单元在走纸速度增大时减小冲突持续阈值，并在走纸速度减小时增大冲突持续阈值。具体地，冲突持续阈值在200微秒至1000微秒范围内设置。嵌入式控制单元可以根据走纸速度从预设参数表中读取对应冲突持续阈值，也可以根据走纸速度计算冲突持续阈值。预设参数表至少包括若干走纸速度区间以及每一个走纸速度区间对应的冲突持续阈值。走纸速度增大时，纸张边缘经过对射光斑和反射光斑之间距离所需时间减小，嵌入式控制单元选取较小的冲突持续阈值；走纸速度减小时，纸张边缘经过两个光斑之间距离所需时间增大，嵌入式控制单元选取较大的冲突持续阈值。采用100微秒采样周期时，200微秒对应连续两个采样周期，500微秒对应连续五个采样周期，1000微秒对应连续十个采样周期。嵌入式控制单元可以直接保存冲突采样次数阈值，并通过统计连续判决不一致的采样次数判断冲突持续时长是否达到对应阈值。走纸速度由上层走纸控制模块发送至嵌入式控制单元，或者由嵌入式控制单元根据走纸电机转速、编码器脉冲频率和传动比计算得到。走纸速度发生变化后，嵌入式控制单元在下一纸张检测周期开始前更新冲突持续阈值。已经进入冲突处理状态时，可以继续采用冲突开始时确定的冲突持续阈值，避免同一冲突处理过程中阈值变化引起判断不连续。冲突持续阈值不小于纸张边缘经过两个检测光斑所形成正常错位时间，并小于实际纸张间隙经过纸张检测区域的持续时间。由此，光斑位置差异形成的短时不一致能够被冲突保持处理，持续存在的检测通道异常能够进入置信仲裁处理。

25、本发明的进一步方案，置信仲裁步骤完成后还包括：

26、退化处理步骤：在一个检测通道的置信度连续100次仲裁低于另一个检测通道的置信度，或者一个检测通道的模数转换值连续100个采样周期等于4095、小于100或大于3800时，将对应光电传感器组标记为无效，跳过对射纸张状态判决与反射纸张状态判决的交叉校验，并根据未被标记为无效的光电传感器组对应的纸张状态判决输出检测结果。

27、一种纸张间隙检测装置，包括：纸张传输通道；对射式光电传感器组，对射式光电传感器组的对射光路穿过纸张传输通道的纸张检测区域；反射式光电传感器组，反射式光电传感器组的反射光斑覆盖纸张检测区域；以及

28、嵌入式控制单元，与对射式光电传感器组和反射式光电传感器组信号连接，用于同步获取对射检测信号和反射检测信号，分别根据对射判定阈值和反射判定阈值形成对射纸张状态判决和反射纸张状态判决，在两路纸张状态判决一致时输出一致的纸张状态判决，在两路纸张状态判决不一致时记录冲突持续时长并维持前一纸张状态判决，在冲突持续时长达到冲突持续阈值时，根据对应检测信号与对应判定阈值的距离、对应检测信号的波动程度及对应历史纸张状态判决与历史最终输出的一致程度生成对射置信度和反射置信度，根据对射置信度与反射置信度的比较结果确定冲突判决输出，并在纸张状态判决由有纸状态转换为无纸状态且无纸状态连续达到间隙确认时长时输出纸张间隙检测信号。

29、具体地，纸张传输通道用于限定纸张在设备内部的运动路径，纸张传输通道可以由导纸板、胶辊、压纸轮和走纸驱动机构围成。纸张检测区域位于纸张传输通道内，纸张在走纸驱动机构带动下经过纸张检测区域。

30、对射式光电传感器组包括分别设置在纸张传输通道两侧的对射发射管和对射接收管。对射发射管朝向对射接收管发射红外光，对射发射管和对射接收管之间形成穿过纸张检测区域的对射光路。纸张进入纸张检测区域后改变到达对射接收管的透射光通量，对射接收管根据透射光通量形成光电流，对射信号调理电路将光电流转换为对射检测信号。

31、反射式光电传感器组包括设置在纸张传输通道一侧的反射发射管和反射接收管。反射发射管朝向纸张检测区域发射红外光，红外光照射纸张表面后返回反射接收管。反射接收管根据反射光强度形成光电流，反射信号调理电路将光电流转换为反射检测信号。反射发射管在纸张表面形成的反射光斑覆盖对射光路经过的纸张检测区域。

32、嵌入式控制单元分别与对射式光电传感器组和反射式光电传感器组信号连接。信号连接包括检测信号采集连接，也可以包括发射管驱动连接和增益控制连接。嵌入式控制单元通过模数转换通道读取对射检测信号和反射检测信号，通过定时器控制采样周期，并通过存储器保存滑动窗口数据、判定阈值、前一纸张状态判决、冲突计时值、置信度历史记录和传感器有效标志。

33、嵌入式控制单元在两个纸张状态判决一致时直接输出一致的纸张状态判决；两个纸张状态判决不一致时启动冲突计时并保持前一纸张状态判决；冲突持续达到冲突持续阈值后，嵌入式控制单元根据阈值距离、信号波动程度和历史一致程度生成两路置信度，并采用置信度比较结果形成冲突判决输出。最终输出由有纸状态转换为无纸状态并连续保持达到间隙确认时长后，嵌入式控制单元输出纸张间隙检测信号。

34、装置中的信号处理过程由嵌入式控制单元执行程序指令实现，滑动滤波、动态阈值计算、独立判决、冲突计时、置信计算和间隙确认不要求分别设置独立硬件芯片。对应处理也可以由现场可编程门阵列、数字信号处理器或者具有模数转换接口的处理器执行。

35、本发明的进一步方案，对射式光电传感器组和反射式光电传感器组安装于同一固定支架，对射光路的光斑中心与反射光斑中心在纸张检测区域内的间距不大于2毫米。

36、嵌入式控制单元配置有滑动滤波单元和动态阈值单元；滑动滤波单元对对射检测信号和反射检测信号分别执行包含64个连续采样值的滑动平均滤波；动态阈值单元将预设数量的无纸状态滑动窗口内最大采样值的平均值确定为对射基准值，将预设数量的有纸状态滑动窗口内最大采样值的平均值确定为反射基准值，根据对射基准值生成对射判定阈值，并根据反射基准值生成反射判定阈值。

37、本发明的进一步方案，嵌入式控制单元配置有置信计算单元；置信计算单元根据检测信号与判定阈值的归一化距离生成阈值距离评分，根据检测信号滑动窗口标准差生成信号稳定性评分，根据最近预设次数仲裁中纸张状态判决与历史最终输出一致的比例生成历史一致性评分，并根据阈值距离评分、信号稳定性评分和历史一致性评分的加权和生成对射置信度和反射置信度。具体地，置信计算单元分别读取滤波后的对射检测信号、滤波后的反射检测信号、对射判定阈值、反射判定阈值、对射检测信号滑动窗口、反射检测信号滑动窗口以及历史仲裁记录。

38、置信计算单元计算滤波后的对射检测信号与对射判定阈值之间差值的绝对值，并将差值的绝对值除以对射判定阈值，得到对射阈值距离评分。置信计算单元计算滤波后的反射检测信号与反射判定阈值之间差值的绝对值，并将差值的绝对值除以反射判定阈值，得到反射阈值距离评分。

39、置信计算单元分别计算对射检测信号滑动窗口和反射检测信号滑动窗口的标准差，并通过一除以一与对应标准差之和得到对应信号稳定性评分。检测信号滑动窗口内的采样值越集中，标准差越小，信号稳定性评分越高；检测信号滑动窗口内的采样值波动越明显，标准差越大，信号稳定性评分越低。

40、置信计算单元建立包含最近预设次数仲裁结果的历史记录队列。每一条历史记录包括对射纸张状态判决、反射纸张状态判决和最终输出。置信计算单元统计对射纸张状态判决与最终输出一致的记录数量，并除以历史记录数量，得到对射历史一致性评分；置信计算单元统计反射纸张状态判决与最终输出一致的记录数量，并除以历史记录数量，得到反射历史一致性评分。

41、置信计算单元按照预设权重分别对阈值距离评分、信号稳定性评分和历史一致性评分进行加权求和，得到对射置信度和反射置信度。对射置信度和反射置信度被发送至冲突仲裁过程和退化判定单元。冲突仲裁过程根据两路置信度比较结果选择纸张状态判决，退化判定单元根据连续仲裁中的置信度变化判断检测通道是否持续退化。

42、本发明的进一步方案，嵌入式控制单元配置有退化判定单元；退化判定单元在一个检测通道的置信度连续100次仲裁低于另一个检测通道的置信度，或者一个检测通道的模数转换值连续100个采样周期等于4095、小于100或大于3800时，将对应光电传感器组标记为无效，并控制嵌入式控制单元根据未被标记为无效的光电传感器组对应的纸张状态判决输出检测结果。

43、一种标签打印机，包括前述中任意一项所述的纸张间隙检测装置。

44、本发明的有益效果：

45、本发明通过对射式光电传感器组和反射式光电传感器组针对同一纸张检测区域分别形成纸张状态判决，使纸张透射特性和纸张反射特性分别参与纸张状态识别。纸张透光率变化主要影响对射检测信号，纸张表面颜色或反射率变化主要影响反射检测信号，因此，两种检测模式能够降低单一光学特性异常对检测结果产生的影响。

46、在两路纸张状态判决发生不一致时，嵌入式控制单元先记录冲突持续时长，并在冲突持续时长未达到冲突持续阈值期间维持前一纸张状态判决。纸张边缘在两个检测光斑之间移动产生的短时判决错位、瞬时光学噪声或单次采样波动不会立即改变最终输出，从而降低纸张状态在有纸状态与无纸状态之间反复跳变的概率。

47、当判决冲突持续达到冲突持续阈值时，嵌入式控制单元再根据阈值距离、信号波动程度和历史最终输出一致程度生成对射置信度和反射置信度。阈值距离反映当前判决与判定边界的分离程度，信号波动程度反映当前检测通道的短期稳定程度，历史最终输出一致程度反映当前检测通道在连续运行过程中的长期可靠程度。三类信息共同参与仲裁，能够避免按照单次信号强度或固定通道优先级确定冲突判决。

48、纸张间隙检测信号需要在纸张状态由有纸状态转换为无纸状态，并且无纸状态连续达到间隙确认时长后输出。该处理能够将持续存在的标签间隙与瞬时无纸判决区分，减少信号尖峰、纸张抖动或短时冲突造成的间隙误触发。

49、对射判定阈值和反射判定阈值分别采用与对应光学检测模式匹配的基准值生成。对射基准值来源于无纸状态下的对射检测信号，反射基准值来源于有纸状态下的反射检测信号，使两种判定阈值分别对应两种光学检测模式中信号强度较明确的参考状态，从而提高不同颜色、厚度及透光特性纸张之间切换时的适应能力。

50、当一个检测通道出现置信度持续偏低或模数转换值持续越界时，嵌入式控制单元将对应光电传感器组标记为无效，并根据未被标记为无效的光电传感器组继续形成纸张状态判决，使纸张间隙检测装置能够由双通道交叉校验状态切换为单通道降级运行状态，避免一个光电传感器组发生退化后立即导致纸张传输设备停止工作。