CN111896078B - 一种基于蓝牙通讯的校表方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于蓝牙通讯的校表方法，所述方法包括：获取偏差值D；基于所述偏差值D对表计的脉冲信号R0进行校正。所述校表方法能够对校表脉冲信号进行高精度低误差并符合标准化的传递；对脉冲信号进行数字化采样，由BLE协议自带的传输保证机制避免了空中无线干扰对测试***产生的数据丢失；对脉冲数据进行数据压缩，可大量减小传输的数据量，给数据重传空余出了时间，避免了传输过程中干扰所导致的数据延迟；对蓝牙芯片要求低，仅支持基础功能的BLE芯片即可完成校表功能，无需额外的数据传输通道，可提高用户芯片可选择范围，降低产品成本。

Description

一种基于蓝牙通讯的校表方法

技术领域

本发明属于水表、电表、燃气表、热力表技术领域，特别涉及一种基于蓝牙通讯的校表方法。

背景技术

在水表、电表、燃气表、热力表(以下简称四表)领域，现有的校表方案通常是：待测电表持续输入一段标准的电流如10安培，电表通过一根电线持续输出一段标准高低脉冲信号，然后将所述脉冲信号以光学或无线的方式进行传输，之后在计量侧通过对应的光学或者无线的方式来获取这段脉冲信号的占空比和频率。

由于大多数支持无线抄表的水电表上安装有低功耗蓝牙(Bluetooth LowEnergy，BLE)芯片，且BLE芯片是基于2.4G频点进行通讯的。所以，目前支持无线传输的水电表都采用所述BLE芯片进行校表功能，具体方法是通过在2.4G频段传输私有裸数据的形式进行上述信号的传输。所述传递方法存在受到无线干扰严重，且精度不高的问题，所述传递方法中采用不同的芯片时还会遇到不同厂商兼容性差等问题。

在采用BLE芯片校表时，待测表计端输出电平脉冲信号到一个蓝牙芯片A，在蓝牙芯片A中通过高精度数值采样，将所述脉冲信号转换成原始数据码流，再对原始数据码流进行压缩封包形成适合传递的数据包，并通过标准的蓝牙协议将所述数据包进行无线发送。检测设备端(一般为四表专用校表台)设有蓝牙芯片B，蓝牙芯片B无线接收所述数据包，再通过拆包和解压缩，还原得到所述原始数据码流，并进一步将所述原始数据码流还原成待测表计端输出电平脉冲信号输出。

在上述的信号数据的传输过程中存在一个重大的问题，就是实际工作中待测表计和检测设备的信号时钟间的不一致问题。其根本原因在于任何晶振或时钟均存在其精度，蓝牙芯片也不例外。待测表计端的蓝牙芯片对脉冲信号采样所用的采样频率取决于待测表计的主频，检测设备端的蓝牙芯片对脉冲信号还原所用的波形生成频率取决于检测设备的主频。当待测表计和检测设备的主频一致时，脉冲检测和脉冲产生不会出现异常。但是实际上待测表计或检测设备的芯片无论是采用片外晶振还是片内RC电路作为时钟源，均会使得其主频有一个精确度或者说误差的问题。根据时钟源的精确度(如精确度为10ppm)，则可确定一秒内待测表计和检测设备作为收发双方，二者主频上最多可能会导致20微秒的误差，这在校表方案中是不可接受的。本领域亟需解决上述问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于蓝牙通讯的校表方法。

本发明提供一种基于蓝牙通讯的校表方法包括：

获取偏差值D；

基于所述偏差值D对表计的脉冲信号R0进行校正。

进一步，

所述脉冲信号R0通过接收蓝牙信号并对所述蓝牙信号进行还原得到。

进一步，

根据理论间隔时间TD1和实际间隔时间TD2，确定所述偏差值D。

进一步，

所述偏差值D满足：D＝TD2-TD1。

进一步，

依时间先后顺序，设在第一脉冲信号中的两个脉冲为S1和S2，设所述蓝牙信号中相邻的脉冲为S3和S4，设第二脉冲信号中与所述脉冲S1和S2分别对应的脉冲为S5和S6，且设在时刻T1，所述脉冲S1的下降沿对应所述脉冲S3的上升沿，在时刻T2，所述脉冲S2的下降沿对应脉冲信号S3的上升沿，

则

所述实际间隔时间TD2＝T2-T1；

所述理论间隔时间TD1为所述脉冲S6的下降沿对应的时刻与所述脉冲S5的下降沿对应的时刻间的时间差。

进一步，

所述第一脉冲信号为蓝牙发送设备的时钟源脉冲信号；

所述第二脉冲信号为蓝牙接收设备的时钟源脉冲信号。

进一步，

所述表计的脉冲信号R0为电脉冲信号。

进一步，

对所述表计的脉冲信号进行校正包括：

将所述脉冲信号R0中高电平和低电平的持续时间按高电平或低电平在所述脉冲信号R0中的占空比进行增加或减少。

进一步，

把所述高电平或低电平的持续时间进行增加或减少包括：

所述脉冲信号R0一个连续周期TT中，高电平持续时间增加α×D，低电平持续时间增加β×D，

其中，

α为所述脉冲信号R0一个连续周期TT中高电平占空比；

β为所述脉冲信号R0一个连续周期TT中低电平占空比。

本发明的一种基于蓝牙通讯的校表方法能够对校表脉冲信号进行高精度低误差并符合标准化的传递；对脉冲信号进行数字化采样，由BLE协议自带的传输保证机制避免了空中无线干扰对测试***产生的数据丢失；对脉冲数据进行数据压缩，可大量减小传输的数据量，给数据重传空余出了时间，避免了传输过程中干扰所导致的数据延迟；对蓝牙芯片要求低，仅支持基础功能的BLE芯片即可完成校表功能，无需额外的数据传输通道，可提高用户芯片可选择范围，降低产品成本。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的蓝牙接收设备进行时钟校准得到偏差值的原理图；

图2示出了根据本发明实施例的校表***构成图；

图3示出了根据本发明实施例的基于蓝牙通讯的校表方法图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面基于蓝牙协议交互模型，考虑校表时的信号处理和传输过程。如图1所示，图1中的发送时钟信号为蓝牙发送设备的时钟源信号(记为时钟源信号1)，在校表时对四表的脉冲信号采样是以时钟源信号1为基准进行的，蓝牙发送设备通过所述时钟源对四表所输出的电脉冲信号进行采样，并将采样的数据处理后转换为蓝牙信号并对所述蓝牙信号进行无线传输。接收时钟信号为蓝牙接收设备的时钟源信号(记为时钟源信号2)，对所述蓝牙信号中所包含的四表脉冲信号信息的还原也是通过时钟源信号2进行的。蓝牙接收设备接收所述蓝牙信号并进行数据信号处理，并以接收时钟信号为基准进行还原处理得到待检测的四表的脉冲信号。其中，在蓝牙发送设备和蓝牙接收设备之间建立通信连接后，每隔一段时间，蓝牙发送设备向蓝牙接收设备发送蓝牙数据；蓝牙发送设备发送蓝牙信号时，蓝牙接收设备的无线接收功能是开启的。

图1中，S1和S2为所述发送时钟信号中的脉冲，S3和S4为所述蓝牙信号的相邻的脉冲。在时刻T1，脉冲S1的下降沿对应脉冲S3的上升沿，在时刻T2，脉冲S1之后的脉冲S2的下降沿对应脉冲S4的上升沿。蓝牙接收设备接收脉冲S3和S4，记录下时刻T2和T1后，得到的实际间隔时间TD2＝T2-T1为蓝牙接收设备连续两次接收到相邻的蓝牙信号的时间间隔。

理想情况下即当待测表计和检测设备的主频一致时，经还原处理得到的接收时钟信号应与发送时钟信号相同，图1中，发送时钟信号的脉冲S5对应于脉冲S1，发送时钟信号的脉冲S6对应于脉冲S2，因此理想情况下，脉冲S5和脉冲S6的下降沿对应的时刻应分别T1和T2，但由于待测表计或检测设备的芯片中时钟源之间存在误差，使得脉冲如S2的下降沿和对应的脉冲S6得下降沿的对应的时刻不相同。设实际工作中接收时钟信号中脉冲S5和脉冲S6的下降沿对应的时刻间的时间间隔为理论间隔时间TD1，则实际间隔时间TD2与理论间隔时间TD1之间存在偏差值D，D＝TD2-TD1。因此，当蓝牙发送设备采用发送时钟信号对表计脉冲进行采样，蓝牙接收设备采用接收时钟信号对表计脉冲进行还原时，在蓝牙信号的一个连续周期内存在的偏差值也是D，如图1中，蓝牙接收设备的接收时钟信号就比蓝牙发送设备的发送时钟信号少了1/2个时钟周期，记蓝牙发送设备的发送时钟信号的时钟周期为T，则TD2-TD1＝D＝T/2。

基于上述信号处理和传输过程，本发明提出一种时钟校准方法：将所述偏差值D取出，并在还原表计的脉冲信号时，将对蓝牙信号还原所得的脉冲信号(记为脉冲信号R0)中高电平和低电平的持续时间按高电平或低电平在脉冲信号R0中的占空比(设高电平的占空比为α，低电平的占空比为β)进行增加或减少，使得脉冲信号R0中每个连续周期的总脉冲宽度(即脉冲信号R0中相邻的一个高电平信号和一个低电平信号的总宽度)增加值为D。比如：脉冲信号R0一个连续周期(设为TT)内高电平占1/3(即α＝1/3)，低电平占2/3(即β＝2/3)，则还原脉冲时，设此时偏差值为图1中的偏差值D＝T/2，则脉冲信号R0一个连续周期TT中高电平的时间增加为α×D＝(1/3)×(T/2)＝T/6(即1/6个发送时钟信号的时钟周期T)。同理，脉冲信号R0一个连续周期TT中低电平的时间增加为β×D＝(2/3)×(T/2)＝T/3(即1/3个发送时钟信号的时钟周期T)。在以上例子中，1个连续周期TT中，高电平增加数值为T/6，则在每6个连续周期TT中，共多产生一个时钟周期T的高电平；同理，每3个连续周期TT中，共多产生一个时钟周期T的低电平，实现了对于脉冲信号R0的时钟校准。

这样就可以解决因为蓝牙发送设备和蓝牙接收设备双方时钟频率不一致导致还原四表的脉冲信号时的误差问题。本发明利用上述测量出的偏差值D对理论间隔时间TD1进行校正，可保证检测设备端得到的还原后的脉冲信号和待测表计端检测采集到的脉冲信号完全一致。

图2所示为本发明所采用的校表***。由图2可知，待检测表计和表计检测台分别连接至BLE蓝牙芯片1和BLE蓝牙芯片2，蓝牙芯片1和蓝牙芯片2均具有脉冲检测、产生和传输功能；蓝牙芯片1对待检测表计如电表所输出的脉冲PP1进行高精度数字化采样和编码，并进行数值压缩和数据封包，然后通过标准BLE服务进行数据的无线发送和无线传输；蓝牙芯片2通过标准BLE服务进行数据的无线接收，并对数据进行数据拆包、数据解压和解码，得到高精度脉冲PP2，再根据前述时钟校准方法利用蓝牙芯片2所记录得到的偏差值D对高精度脉冲PP2进行微调，实现对脉冲PP1的真正还原。

参见图3，本发明的基于蓝牙通讯的校表方法包括如下步骤：

一、利用高精度脉冲采样模块采集待测表计所输出的原始电脉冲信号(以下记为P(t))，同时将P(t)进行数字化处理，得到数字化处理后的脉冲信号，然后将电脉冲信号在时间上的信息转化为脉冲数据流。如图3中，以当前蓝牙发送设备的时钟源为基准，持续对表计输出的脉冲进行采样。将采集到的表计输出的脉冲中的高电平标记为1(占用1bit)，低电平标记为0(占用1bit)，可以持续获得表计输出的脉冲所对应的数字编码数据流即脉冲数据流。目前所述数字化处理的最高精度为0.04uS。本步骤通过对电脉冲信号进行数字化采样，在后面进行无线传送时，由BLE协议自带的传输保证机制避免了空中无线干扰对***造成的数据丢失。

二、将脉冲数据流进行压缩编码，得到压缩脉冲数据流。该压缩脉冲数据流按照上述脉冲数据流中的内容不同(1或0)分成多个数据区块，每个区块中只包含1或只包含0，并且记录下1或0的总体数值。如图3中，从左数第一个区块“0-3”就记录了脉冲数据流中从左向右数前3个数据信息为“0”，从左数第二个区块“1-3”就记录了脉冲数据流中从左向右数前第4至第6这3个数据信息为“1”，其余区块以此类推，每个数据区块表示一段连续的“0”或连续的“1”。本步骤通过对脉冲数据流进行数据压缩，可大量减小传输的数据量，为数据重传准备了足够时间，避免了数据传输过程中受到干扰导致的数据延迟。

三、将压缩脉冲数据流进行数据封包。将压缩脉冲数据流按进行无线传输的数据帧格式进行封装，形成适合短距离无线传输的传输数据包。每个传输数据包用于传输对应连接间隔(即原始电脉冲信号中相邻的一个高电平信号和一个低电平信号)内的进行步骤一中信号采集时的采样点的信息(对高电平信号和低电平信号的采样取值称以下为采样值)。由于采样点总数固定，每个数据包中将每一段连续相同的采样值是被放在一个数据区块中，由于每个数据包所代表的各个采样点的采样值不一定是相同的，所以每个数据包内数据区块的数量不尽相同，可能包含一个或多个数据区块，如：如果一个连接间隔内的采样点都是高电平，则第一步采样结果中，所述连接间隔对应的的数据包的采样点的值都是‘1’即“111111111111111111111111”(此处的采样值示意性地取为24个)，所述数据包中连续24个采样值均为“1”，则所述数据包内只包含一个数据区块，以用于表达所述数据包中的采样值信息；如果一个连接间隔内，采样后所得的采样值前半截是全‘1’，后半截是全‘0’，即“111111111111000000000000”，那么一个数据包内就包含两个数据区块，第一个数据区块用于表达前12个连续为“1”的采样值的信息，第二个数据区块用于表达后12个连续为“0”的采样值的信息。每个数据区块我们以1Byte(8bit)或2Byte(16bit)的方式进行数据存储，我们用最高位Byte的最高bit位表示所述数据区块标识数值的内容，其他bit位表示所述数据区块标识数值的个数，如要用1Byte描述连续10个1，那就是所述Byte中最高位即第一位是1(二进制下为1)，后面加个10(二进制下为0001010)，加在一起所述Byte就是二进制下的1000 1010，也就是十六进制下的8a。其中，每个数据区块采用1byte(8bit)传递一段数据时，将电平的高低数值放在该byte的最高bit位或者说第一bit位，该byte的后7bit(在2Byte模式下为15bit)用于传输电平采样点的数量。同时每个数据包只存储特定数量采样点的信息。例如：在图3中，每个传输数据包包含76个采样点的信息，每个传输数据包包含九个数据区块，十六进制下，第一个数据区块03表示有3个低电平，第二、四、六、八个数据区块83表示有3个高电平，第三、五、七个区块10表示有16个低电平，第九个区块0D表示有13个低电平。

四、由无线蓝牙发送设备即前述蓝牙发送设备进行数据发送，将传输数据包进行无线发送。需要将传输数据包通过BLE协议进行无线传输，使数据包正常到达接收端。数据传输过程中的可靠性由BLE协议底层来保证。

五、由无线蓝牙接收设备通过BLE协议进行数据接收。接收的过程中可能会因为无线传输干扰进行重传，重传机制由无线通讯协议来保证。

六、将接收到的数据包进行拆包并恢复成压缩脉冲数据流。

七、将压缩脉冲数据流解压成正常的脉冲数据流。

八、将脉冲数据流进行还原，即还原脉冲信号，并将还原得到的脉冲信号通过前述时钟校准进行弥补，从而得到所述待测表计输出的电脉冲信号P(t)，并对P(t)进行输出。

本发明对蓝牙芯片要求低，仅支持基础功能的BLE芯片即可完成校表功能，无需额外支持数据传输通道，可提高用户芯片可选择范围，降低产品成本。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于蓝牙通讯的校表方法，其特征在于，所述方法包括：

获取偏差值D，其中根据理论间隔时间TD1和实际间隔时间TD2，确定所述偏差值D，所述偏差值D满足：D=TD2-TD1；其中，依时间先后顺序，设在第一脉冲信号中的两个脉冲为S1和S2，设蓝牙信号中相邻的脉冲为S3和S4，设第二脉冲信号中与所述脉冲S1和S2分别对应的脉冲为S5和S6，且设在时刻T1，所述脉冲S1的下降沿对应所述脉冲S3的上升沿，在时刻T2，所述脉冲S2的下降沿对应脉冲信号S3的上升沿，则所述实际间隔时间TD2=T2-T1；所述理论间隔时间TD1为所述脉冲S6的下降沿对应的时刻与所述脉冲S5的下降沿对应的时刻间的时间差；其中，所述第一脉冲信号为蓝牙发送设备的时钟源脉冲信号；所述第二脉冲信号为蓝牙接收设备的时钟源脉冲信号；

基于所述偏差值D对表计的脉冲信号R0进行校正。

2.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙通讯的校表方法，其特征在于，

所述脉冲信号R0通过接收蓝牙信号并对所述蓝牙信号进行还原得到。

3.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙通讯的校表方法，其特征在于，

所述表计的脉冲信号R0为电脉冲信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙通讯的校表方法，其特征在于，

对所述表计的脉冲信号进行校正包括：

将所述脉冲信号R0中高电平和低电平的持续时间按高电平或低电平在所述脉冲信号R0中的占空比进行增加或减少。

5.根据权利要求4所述的一种基于蓝牙通讯的校表方法，其特征在于，

把所述高电平或低电平的持续时间进行增加或减少包括：

所述脉冲信号R0一个连续周期TT中，高电平持续时间增加α×D，低电平持续时间增加β×D，

其中，

α为所述脉冲信号R0一个连续周期TT中高电平占空比；

β为所述脉冲信号R0一个连续周期TT中低电平占空比。

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