CN110519356B - 一种校准燃气表上报成功率的方法及装置 - Google Patents

一种校准燃气表上报成功率的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种校准燃气表上报成功率的方法及装置。其特征在于所述MCU模块采用STM32L系列的低功耗芯片，MCU模块集成有UART模块和温度传感器模块，MCU模块内部配置时钟晶振的寄存器，能够存储和设置晶振的值，温度传感器模块能够通过AD读取到温度值，UART模块用于MCU模块与NB‑IoT模块进行通讯。本发明采用的时钟为32.768KHz晶振，32.768kHz全温方位比较稳定，温飘小；本发明不是利用***本身的fsys进行校准，而是根据当前的f’sys的值，直接进行计算与之匹配的波特率设定值，进一步保证通讯的稳定性；同时本案并未增加硬件成本，保证***低成本的同时改善了***的性能。

Description

一种校准燃气表上报成功率的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种校准燃气表上报成功率的方法及装置。
背景技术
当前NB-IoT燃气表已经逐步在市场中推广使用，NB-IoT燃气表是利用内部的NB模块将数据通过LPWAN网络上报到云服务器上供后台服务器处理使用，而NB-IoT燃气表中NB-IoT通讯模组与***通讯的方式是由燃气表内部的主控芯片MCU和NB-IoT通讯模组之间通过AT命令进行UART通讯的，UART通讯的时钟信号源精确度又决定了其与NB-IoT模组之间通讯的精确度。同时为了符合市场上追寻的低功耗低成本的燃气表趋势，MCU内部的UART模块采用的时钟信号源是其内部的RC时钟。由于无法确定NB-IoT燃气表所使用的环境(例如室内室外、南北方地理位置等)，不同的使用环境存在一定的环境温度差异，而内部RC振荡易受温度变化等因素的影响，内部振荡器受到温度的影响会导致输出的时钟频率有偏差，进而导致UART模块进行串口通讯时波特率异常，从而导致其与NB-IoT通讯模组之间的通讯成功率下降，无法将数据精确地进行传输，则后期将数据上报到后台服务器上的影响也是非常之大，严重影响***的上报成功率。
发明内容
为了克服在燃气表的上报过程中，由于内部时钟受到外界环境温度的影响而导致UART时钟频率偏差，出现波特率异常，进而导致上报成功率受到影响的问题，本发明提供一种校准燃气表上报成功率的方法及装置的技术方案，保证UART通讯波特率正常，从而保证上报成功率。
所述的一种校准燃气表上报成功率的装置，包括MCU模块和NB-IoT模块，其特征在于所述MCU模块采用STM32L系列的低功耗芯片，MCU模块集成有UART模块和温度传感器模块，MCU模块内部配有时钟晶振的寄存器，能够存储和设置晶振频率的值，温度传感器模块能够通过AD通道读取到温度值，UART模块用于MCU模块与NB-IoT模块进行通讯。
所述的一种校准燃气表上报成功率的方法，其特征在于包括如下流程：
步骤01：在NB-IoT智能燃气表的正常运行状态下，***所使用的电压为6V,当***到达需要远程上报数据的时间点或者是外部进行按键等上报操作时，内部MCU处理器会对操作进行处理后调用上报程序，***开始上报数据；内部MCU处理器处理后会打开与TEMPER_CTL引脚相连接的引脚开关，根据串联电阻分压原理输出3V电压，使***的热敏电阻R3处于工作状态；
步骤02：同时会启用MCU内部的温度传感器，通过TEMPER_CHK端口采集热敏电阻R3的电压AD值Va；
步骤03：通过采集的电压AD值Va，MCU处理器利用分压公式
Va/3＝R3/(R2+R3) 公式4
计算出当前热敏电阻R3的电阻值；
步骤04：根据热敏电阻特性，参照温度与电阻值的对应关系公式
Temp＝(298.15/((1-(log(50/R)*298.15/3950))))-273.15 公式6
将上述步骤03中得到的热敏电阻R3的值带入到上述公式中的R,就可以计算出当前的环境温度值Temp；
步骤05：如果温度值Temp在区间25±5度范围内，则***工作在一个温区稳定的范围，其时钟晶振为32.678KHz，电路稳定性高，精确度高，UART的时钟受温度影响较小，通讯的波特率较稳定，则能够以32.678KHz的时钟晶振进行***工作，则结束本次流程；否则就要对温度进行补正，来确保波特率的准确性，其可跳转至步骤06；
步骤06：根据温度值Temp，对32.768kHz的时钟晶振进行温度补正；
首先计算频率偏移量Δf，根据
Δf＝K(T-Ti)2 公式7
其中K为频率温度系数常数，可根据芯片数据手册得到K值为(-4×10-8),根据热敏电阻的特性可知，其工作在25度是个最佳工作环境，所以T取值为25度，Ti为当前采集的温度，将这些值带入Δf＝K(T-Ti)2就可以计算出频率的偏移量Δf的值；
步骤07：将步骤06中的偏移量Δf的值带入到修正公式
f＝32.768×(1+Δf) 公式8
可得到修正后时钟晶振f，可将修正后的时钟晶振f的值写入MCU配置的时钟晶振寄存器中去，
步骤08：在步骤07之前的所有操作中，处理器均以自己内部时钟在工作，步骤07完成后，***定时器Timer对32.768kHz时钟晶振进行频率捕获，该定时器的时钟源仍为内部时钟fsys，首次上升沿中断时，采集timer捕获值A0；
步骤09：第二次上升沿中断触发时，采集timer捕获值A1，同时关闭定时器timer；
步骤10：根据步骤08、步骤09得到的捕获值，算出两次捕获值的差值ΔN＝A1-A0；步骤11：根据比值算式
ΔN/fsys＝1/32768 公式9
将步骤10中捕获差值的值带入到公式9中可获得当前真实的内部时钟f’sys；
步骤12：参考芯片数据手册可得到，UART波特率跟波特率设定值以及***时钟频率有关，其关系式为：
Bound＝256*f’sys/V
V＝256*f’sys/Bound 公式10
根据实际***中最有效的传输速率，将Bound的值带入到公式10中，便可以得出当前波特率的设定值V；
步骤13：根据最新的波特率配置值V，将值写到时钟晶振的寄存器中去，再启动本次UART通讯，则本次使用的时钟频率是跟外界环境温度进行补偿后的最佳值，可确保传输的顺利进行后也确保了***的UART通讯的高效性。
所述的一种校准燃气表上报成功率的方法，其特征在于所述步骤02利用具有高精度的温度检测特性的热敏电阻来检测环境温度。
本发明的优点为：
1、本发明的NB-IoT燃气表中采用的实时时钟为32.768KHz晶振，32.768kHz全温方位比较稳定，温飘小；
2、由于实时修正***本身的fsys，则对整个***的稳定性有所影响，所以本发明不是利用***本身的fsys进行校准，而是根据当前的f’sys的值，直接进行计算与之匹配的波特率设定值，进一步保证通讯的稳定性；
3、同时本案并未增加硬件成本，保证***低成本的同时改善了***的性能。
附图说明
图1为A/D的保护电路图；
图2为A/D的两路采样通道电路图；
图3为***电路；
图4为电阻温度曲线图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步说明：
本发明的燃气表包括MCU模块、NB-IoT模块以及其他功能模块，为了确保低功耗低成本的要求，MCU模块采用的是STM32L系列的低功耗芯片，该模块集成有UART模块和内部的温度传感器模块，同时MCU内部配置了时钟晶振的寄存器，可存储和设置晶振相关值，温度传感器模块可通过AD通道读取到温度值，UART通讯模块用于MCU模块与NB-IoT模块进行通讯。
本发明在***上报的过程中的处理流程为：
步骤01：在NB-IoT智能燃气表的正常运行状态下，***所使用的电压为6V,当***到达需要远程上报数据的时间点或者是外部进行按键等上报操作时，内部MCU处理器会对操作进行处理后调用上报程序，***开始上报数据，内部MCU处理器处理后会打开与TEMPER_CTL引脚相连接的引脚开关，根据串联电阻分压原理输出3V电压，使***的热敏电阻R3处于工作状态。
步骤02：本***中采用的是STM32L系列的低功耗芯片，该芯片内部含有一个12位的ADC，拥有16个输入通道，包括一个内部温度传感器，基于本***的使用，需要的温度传感器输出电压特性，其电压与温度的关系为：
T(℃)＝(Vsense/AvgSlope)-273.15——公式1
其中AvgSlope是参照温度与电压曲线的平均斜率的一个估计值。根据手册可取AvgSlope＝1.62mV/℃。
由芯片的数据手册可知，其内部还包括一个内部参考电压，这个内部参考电压的电压值是芯片产商出厂时校准设定的，所以是精确的，这个内部参考电压为1.225V。ADC选择内部参考电压作为测量通道，可以测量到内部电压的转化值Nadc。此时，已知VDD的转化值为4096，内部参考电压VREFINT电压值为1.225V，以及定义测试电压为Vtemp。这些值满足比例关系：
VDD/4096＝VREFINT/Vtemp
VDD/4096＝1.225/Vtemp
VDD＝1.225*4096/Vtemp；——公式2
温度传感器在确定内部参考电压后，可利用内部温度传感器进行温度采集后，结合公式1和公式2可得出公式3：
Vtemp＝((T(℃)+273.5)*1.62)/1000——公式3
由于内部温度传感器的精度并没有很高，因此需要利用AD采样通道进行温度补偿和校准，但是STM32L低功耗芯片的模拟电压输入范围为0-3V,但是在实际中使用到的A/D端口采样信号时，并不能保证所采集到的信号在输入范围之内。由于ADC模块比较脆弱，当电压不在正常工作范围之内的时候可能会损坏ADC端口，使相对应的A/D采样端口不能正常工作。
图1的电路原理为：DQ1与DQ2是两个二级管，在工业要求较高的环境下，此处可以用一个快恢复的双二级管代替。当ADC1端电压略高于3.3V时，DQ2二极管被导通，输入到A/D端口电压直接为3.3V。同理，当ADC1端口的电压为负电压时，DQ1二级管被导通，输入到A/D端口电压直接为0V。这样就可以利用这两个二级换将ADC端口输入电压保持在其允许的范围内，使其能正常工作。
除了要确保A/D的采样端口不被破坏以外，还要保证采样的精度要足够高，内部芯片的A/D的采样精度在实际使用过程中并没有达到所谓的12位精度。其转化精度较差的主要原因是存在增益误差和偏移误差，要提高ADC转换精度就必须对这两种误差进行补偿。因此本***中增加了A/D的硬件校正电路。
由于A/D采样通道自身的误差，在此可以利用A/D的两路采样通道来求得此ADC存在的增益误差和偏移误差，并以此来校正其余的A/D采样通道。考虑到两路校正通道的输入电压精度要求比较高，再次可以选用CJ431电压基准芯片来产生两路基准电压，并选择ADC0和ADC8两通道为校正通道，如图2.
经过校正A/D的校正电路以及保护电路的作用下，MCU内部的温度传感器以及A/D模块的作用，可通过热敏电阻的采样端口TEMPER_CHK端口采集热敏电阻R3的电压AD值Va。
步骤03：***电路如图3所示，通过采集的电压AD值Va，利用分压公式4：Va/3＝R3/(R2+R3),计算出当前热敏电阻R3的电阻值。
步骤04：本***为了确保稳定系，需要实时获取到正确的实际环境温度值，本方案利用具有高精度的温度检测特性的热敏电阻来检测环境温度。由于燃气表在环境温度为[15.25]℃范围下是个相对温区比较稳定，精度比较的范围内，因此利用改性环氧树脂材料制作了一个测温比较稳定的测温型热敏电阻。
在不同的温度下测试温度与电性的特性为：
Figure BDA0002172169470000071
Figure BDA0002172169470000081
Figure BDA0002172169470000091
根据以上数据可得出电阻温度曲线图，如图4。
根据图4所示可算出电阻温度曲线图的平均斜率:；
Figure BDA0002172169470000092
从上述表格中：取出两组数据，分别对应为T1和T2，R1和R2，为了减小误差，R的值选用电阻的中心值。例如T1＝5℃、R1＝124.03KΩ；T2＝10℃、R2＝98.06KΩ，然后再带入公式5进行计算。计算多组数据后读取平均值可得B＝3950。根据实验曲线可将B值当做热敏电阻的一个特性，因此公式5可以转换成为公式5-1：
Figure BDA0002172169470000093
由于***的最佳环境温度为25℃，所以可见T2＝25℃，以及R2＝50KΩ，代入到公式5-1中，经过公式换算可得出公式6：
Temp＝(298.15/((1-(log(50/R)*298.15/3950))))-273.15——公式6
将上述步骤3中得到的热敏电阻R3的值带入到公式6中的R,就可以计算出当前的环境温度值Temp。
步骤05：如果温度值Temp在区间25±5度范围内，则***工作在一个温区稳定的范围，其时钟晶振为32.678KHz。电路稳定性高，精确度高，UART的时钟受温度影响较小，通讯的波特率较稳定，则可以以32.678KHz的时钟晶振进行***工作，则结束本次流程；否则就要对温度进行补正，来确保波特率的准确性，其可跳转至步骤06。
步骤06：根据温度值Temp，对32.768kHz的时钟晶振进行温度补正。首先需要计算计算频率偏移量Δf，根据：
Δf＝K(T-Ti)2——公式7
其中K为频率温度系数常数，可根据芯片数据手册得到K值为(-4×10-8),根据热敏电阻的特性可知，其工作在25度是个最佳工作环境，所以T取值为25度，Ti为当前采集的温度。将这些值带入公式7就可以计算出频率的偏移量Δf的值。
步骤07：将步骤6中的偏移量Δf的值带入到修正公式8：
f＝32.768×(1+Δf)——公式8
可得到修正后时钟晶振f。可将修正后的时钟晶振f的值写入MCU配置的时钟晶振寄存器中去。
步骤08：在步骤07之前的所有操作中，处理器均以自己内部时钟在工作。步骤07完成后，***定时器Timer(本定时器的时钟源仍为内部时钟fsys),对32.768kHz时钟晶振进行频率捕获。首次上升沿中断时，采集timer捕获值A0。
步骤09：第二次上升沿中断触发时，采集timer捕获值A1，同时关闭定时器timer。
步骤10：根据步骤8、9得到的捕获值，算出两次捕获值的差值ΔN＝A1-A0。
步骤11：根据比值算式
ΔN/fsys＝1/32768——公式9
将步骤10中的值带入到公式9中可获得当前真实的内部时钟f’sys。
步骤12：参考芯片数据手册可得到，UART波特率跟波特率设定值以及***时钟频率有关，其关系式为：
Bound＝256*f’sys/V
V＝256*f’sys/Bound；——公式10
可以根据实际***中最有效的传输速率，将Bound的值带入到公式10中，便可以得出当前波特率的设定值V。
步骤13：根据最新的波特率配置值V，将值写到时钟晶振的寄存器中去，再启动本次UART通讯，则本次使用的时钟频率是跟外界环境温度进行补偿后的最佳值，可确保传输的顺利进行后也确保了***的UART通讯的高效性。
经过在高低温箱中实测发现，普通NB-IoT燃气表和本案中经过温度补正的NB-IoT燃气表在-25度，-15度，0度，15℃，25℃以及40℃等几个条件下的成功率均有大幅度提升，详见下表。
温度状态 未调整装置前 调整装置后
-25℃ 86％ 97％
-15℃ 89％ 97％
0℃ 91％ 98％
15℃ 95％ 99％
25℃ 97％ 99％
40℃ 96％ 98％

Claims (2)

1.一种校准燃气表上报成功率的方法，包括MCU模块和NB-IoT模块，所述MCU模块采用STM32L系列的低功耗芯片，MCU模块集成有UART模块和温度传感器模块，MCU模块内部配有时钟晶振的寄存器，能够存储和设置晶振频率的值，温度传感器模块能够通过AD通道读取到温度值，UART模块用于MCU模块与NB-IoT模块进行通讯，其特征在于包括如下流程：
步骤01：在NB-IoT智能燃气表的正常运行状态下，***所使用的电压为6V,当***到达需要远程上报数据的时间点或者是外部进行按键等上报操作时，内部MCU处理器会对操作进行处理后调用上报程序，***开始上报数据；内部MCU处理器处理后会打开与TEMPER_CTL引脚相连接的引脚开关，根据串联电阻分压原理输出3V电压，使***的热敏电阻R3处于工作状态；
步骤02：本***中采用的是STM32L系列的低功耗芯片，该芯片内部含有一个12位的ADC，拥有16个输入通道，包括一个内部温度传感器，基于本***的使用，需要的温度传感器输出电压特性，其电压与温度的关系为：
T(℃) = (Vsense/AvgSlope)-273.15——公式1
其中AvgSlope是参照温度与电压曲线的平均斜率的一个估计值，根据手册可取AvgSlope = 1.62mV/℃，
由芯片的数据手册可知，其内部还包括一个内部参考电压，这个内部参考电压的电压值是芯片产商出厂时校准设定的，所以是精确的，这个内部参考电压为1.225V，ADC选择内部参考电压作为测量通道，可以测量到内部电压的转化值Nadc，此时，已知VDD的转化值为4096，内部参考电压VREFINT电压值为1.225V，以及定义测试电压为Vtemp，这些值满足比例关系：
VDD/4096 = VREFINT/Vtemp
VDD/4096 = 1.225/Vtemp
VDD = 1.225*4096/Vtemp——公式2
温度传感器在确定内部参考电压后，可利用内部温度传感器进行温度采集后，结合公式1和公式2 可得出公式3：
Vtemp = （（T(℃)+273.5）*1.62）/1000——公式3
由于内部温度传感器的精度并没有很高，因此需要利用AD采样通道进行温度补偿和校准，但是STM32L低功耗芯片的模拟电压输入范围为0-3V,但是在实际中使用到的A/D端口采样信号时，并不能保证所采集到的信号在输入范围之内；由于ADC模块比较脆弱，当电压不在正常工作范围之内的时候可能会损坏ADC端口，使相对应的A/D采样端口不能正常工作；
A/D的保护电路中，DQ1与DQ2是两个二级管，在工业要求较高的环境下，此处可以用一个快恢复的双二级管代替，当ADC1端电压略高于3.3V时，DQ2二极管被导通，输入到A/D端口电压直接为3.3V；同理，当ADC1端口的电压为负电压时，DQ1二级管被导通，输入到A/D端口电压直接为0V；这样就可以利用这两个二级换将ADC端口输入电压保持在其允许的范围内，使其能正常工作；
除了要确保A/D的采样端口不被破坏以外，还要保证采样的精度要足够高，内部芯片的A/D的采样精度在实际使用过程中并没有达到所谓的12位精度；其转化精度较差的主要原因是存在增益误差和偏移误差，要提高ADC转换精度就必须对这两种误差进行补偿，因此本***中增加了A/D的硬件校正电路；
由于A/D采样通道自身的误差，在此可以利用A/D的两路采样通道来求得此ADC存在的增益误差和偏移误差，并以此来校正其余的A/D采样通道；考虑到两路校正通道的输入电压精度要求比较高，再次可以选用CJ431电压基准芯片来产生两路基准电压，并选择ADC0和ADC8两通道为校正通道；
经过校正A/D的校正电路以及保护电路的作用下，MCU内部的温度传感器以及A/D模块的作用，可通过热敏电阻的采样端口TEMPER_CHK端口采集热敏电阻R3的电压AD值Va；
步骤03：通过采集的电压AD值Va，MCU处理器利用分压公式
Va/3 = R3/(R2+R3) 公式4
计算出当前热敏电阻R3的电阻值；
步骤04：根据热敏电阻特性，参照温度与电阻值的对应关系公式
Temp=(298.15/((1-(log(50/R)*298.15/3950))))-273.15 公式6
将上述步骤03中得到的热敏电阻R3的值带入到上述公式中的R,就可以计算出当前的环境温度值Temp；
步骤05：如果温度值Temp在区间25±5度范围内，则***工作在一个温区稳定的范围，其时钟晶振为32.678KHz，电路稳定性高，精确度高，UART的时钟受温度影响较小，通讯的波特率较稳定，则能够以32.678KHz的时钟晶振进行***工作，则结束本次流程；否则就要对温度进行补正，来确保波特率的准确性，其可跳转至步骤06；
步骤06：根据温度值Temp，对32.768kHz的时钟晶振进行温度补正；
首先计算频率偏移量Δf，根据
Δf =K(T-Ti)² 公式7
其中K为频率温度系数常数，可根据芯片数据手册得到K值为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
,根据热敏电阻的特性可知，其工作在25度是个最佳工作环境，所以T取值为25度，Ti为当前采集的温度，将这些值带入Δf =K(T-Ti)²就可以计算出频率的偏移量Δf的值；
步骤07：将步骤06中的偏移量Δf的值带入到修正公式
f= 32.768×（1+Δf） 公式8
可得到修正后时钟晶振 f，可将修正后的时钟晶振f 的值写入MCU配置的时钟晶振寄存器中去，
步骤08：在步骤07之前的所有操作中，处理器均以自己内部时钟在工作，步骤07完成后，***定时器Timer对32.768kHz时钟晶振进行频率捕获，该定时器的时钟源仍为内部时钟fsys，首次上升沿中断时，采集timer捕获值A0；
步骤09：第二次上升沿中断触发时，采集timer捕获值A1，同时关闭定时器timer；
步骤10：根据步骤08、步骤09得到的捕获值，算出两次捕获值的差值ΔN=A1-A0；
步骤11：根据比值算式
ΔN/fsys = 1/32768 公式9
将步骤10中捕获差值的值带入到公式9中可获得当前真实的内部时钟
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤12：参考芯片数据手册可得到，UART波特率跟波特率设定值以及***时钟频率有关，其关系式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
公式10
根据实际***中最有效的传输速率，将Bound的值带入到公式10中，便可以得出当前波特率的设定值V；
步骤13：根据最新的波特率配置值V，将值写到时钟晶振的寄存器中去，再启动本次UART通讯，则本次使用的时钟频率是跟外界环境温度进行补偿后的最佳值，可确保传输的顺利进行后也确保了***的UART通讯的高效性。
2.根据权利要求1所述的一种校准燃气表上报成功率的方法，其特征在于所述步骤02利用具有高精度的温度检测特性的热敏电阻来检测环境温度。
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