CN111882847A - 一种基于低功耗蓝牙芯片的电能表脉冲传递方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于低功耗蓝牙芯片的电能表脉冲传递方法及装置，对电能表低功耗蓝牙芯片对脉冲信号进行采集、编码，通过无线信道对脉冲信号进行发送，电能表检定台体低功耗蓝牙芯片通过无线信道接收脉冲信号并进行解码，完成脉冲信号的传递，解决电能表检定装置或自动化检定流水线采用光信号接收装置执行检定，存在容易受环境光线干扰、光接收装置与智能电能表对准麻烦、检定效率低及改造成本偏高等问题。

Description

一种基于低功耗蓝牙芯片的电能表脉冲传递方法及装置

技术领域

本申请涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于低功耗蓝牙芯片的电能表脉冲传递方法，同时涉及一种基于低功耗蓝牙芯片的电能表脉冲传递装置。

背景技术

目前智能电能表在检定装置或自动化检定流水线上检定时，采用接触式 RS485通信及辅助端子脉冲电信号输出的方式完成的，而随着下一代多芯模组化智能电能表标准的推行，智能电能表端将取消接触式辅助段子，进而采用非接触式BLE低功耗蓝牙无线通信技术及LED光脉冲传输方式进行检定。但是实际现场实施发现，检定装置或自动化检定流水线采用光信号接收装置执行检定，存在容易受环境光线干扰、光接收装置与智能电能表对准麻烦、检定效率低及改造成本偏高等问题。

发明内容

本申请提供一种基于低功耗蓝牙芯片的电能表脉冲传递方法及装置，解决电能表检定装置或自动化检定流水线采用光信号接收装置执行检定，存在容易受环境光线干扰、光接收装置与智能电能表对准麻烦、检定效率低及改造成本偏高等问题。

本申请提供一种基于低功耗蓝牙芯片的电能表脉冲传递方法，包括：

电能表低功耗蓝牙芯片采集输入的脉冲信号，并对所述脉冲信号进行编码；

所述电能表低功耗蓝牙芯片通过无线信道发送编码后的脉冲信号；

电能表检定台体低功耗蓝牙芯片，通过无线信道接收所述编码后的脉冲信号，并对所述编码后的脉冲信号进行解析，所述电能表检定台体低功耗蓝牙芯片还原输出脉冲信号。

优选的，电能表低功耗蓝牙芯片采集输入的脉冲信号，并对所述脉冲信号进行编码，包括：

电能表低功耗蓝牙芯片通过硬件I/O中断方式执行输入的脉冲信号采集；

所述电能表低功耗蓝牙芯片，根据通信协议对所述脉冲信号包含的通讯信息、时钟脉冲信号、有功脉冲信号、无功脉冲信号和谐波脉冲信号进行编码。

优选的，所述电能表低功耗蓝牙芯片通过无线信道发送编码后的脉冲信号，包括：

所述电能表低功耗蓝牙芯片通过无线射频调制发送编码后的脉冲信号。

优选的，电能表检定台体低功耗蓝牙芯片，通过无线信道接收所述编码后的脉冲信号，并对所述编码后的脉冲信号进行解析，包括：

电能表检定台体低功耗蓝牙芯片，通过无线射频解调接收所述编码后的脉冲信号；

所述电能表检定台体低功耗蓝牙芯片对所述编码后的脉冲信号，按照通信协议进行解析，生成解析信息。

优选的，所述解析信息，包括：

通讯信息、时钟脉冲信号、有功脉冲信号、无功脉冲信号和谐波脉冲信号。

优选的，还包括：

电能表低功耗蓝牙芯片和电能表检定台体低功耗蓝牙芯片，以预设步进扩展多个无线信道。

优选的，还包括：

电能表低功耗蓝牙芯片和电能表检定台体低功耗蓝牙芯片，通过调节发射功率控制通信距离。

优选的，还包括：

电能表低功耗蓝牙芯片和电能表检定台体低功耗蓝牙芯片，在传递脉冲信号的间隔中，还可以接收和发送通讯信息进行双向通信。

优选的，还包括：

电能表低功耗蓝牙芯片和电能表检定台体低功耗蓝牙芯片，在传递脉冲信号的过程中，还可以通过无线信道复用、信道分时复用、信号覆盖规划提高传递脉冲信号的过程中的抗干扰性。

本申请同时提供一种基于低功耗蓝牙芯片的电能表脉冲传递装置，包括：

编码单元，电能表低功耗蓝牙芯片采集输入的脉冲信号，并对所述脉冲信号进行编码；

信号发送单元，所述电能表低功耗蓝牙芯片通过无线信道发送编码后的脉冲信号；

解析单元，电能表检定台体低功耗蓝牙芯片，通过无线信道接收所述编码后的脉冲信号，并对所述编码后的脉冲信号进行解析，所述电能表检定台体低功耗蓝牙芯片还原输出脉冲信号。

本申请提供一种基于低功耗蓝牙芯片的电能表脉冲传递方法及装置，对电能表低功耗蓝牙芯片对脉冲信号进行采集及编码，通过无线信道对脉冲信号进行发送，电能表检定台体低功耗蓝牙芯片通过无线信道接收脉冲信号并进行解码，完成脉冲信号的传递，解决电能表检定装置或自动化检定流水线采用光信号接收装置执行检定，存在容易受环境光线干扰、光接收装置与智能电能表对准麻烦、检定效率低及改造成本偏高等问题。

附图说明

图1是本申请提供的一种基于低功耗蓝牙芯片的电能表脉冲传递方法的流程示意图；

图2是本申请涉及的电能表低功耗蓝牙芯片与电能表检定台体低功耗蓝牙芯片之间脉冲信号的传递方向示意图；

图3是本申请涉及的射频信号接收选择示意图；

图4是本申请涉及的电能表和检定装置采用分时复用机制传递脉冲信号的示意图；

图5是本申请提供的一种基于低功耗蓝牙芯片的电能表脉冲传递装置示意图；

图6是本申请涉及的信道频率分配算法示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

图1是本申请提供的一种基于低功耗蓝牙芯片的电能表脉冲传递方法的流程示意图；图2是本申请涉及的电能表低功耗蓝牙芯片与电能表检定台体低功耗蓝牙芯片之间脉冲信号的传递方向示意图。下面结合图1和图2对本申请提供的方法进行详细说明。

步骤S101，电能表低功耗蓝牙芯片采集输入的脉冲信号，并对所述脉冲信号进行编码。

电能表低功耗蓝牙芯片通过硬件I/O中断方式执行输入的脉冲信号采集，同时I/O中断优先级最高，保证信号采集的稳定性和低延时电能表低功耗蓝牙芯片，根据通信协议对所述脉冲信号包含的通讯信息、时钟脉冲信号、有功脉冲信号、无功脉冲信号和谐波脉冲信号进行编码。

步骤S102，所述电能表低功耗蓝牙芯片通过无线信道发送编码后的脉冲信号。电能表低功耗蓝牙芯片通过无线射频调制发送编码后的脉冲信号。本申请通过指定频率信道的方式，在物理层上直接发送数据，实现低延时脉冲传递、对蓝牙工作信道数量进行扩展，以满足多个表位的共同检定要求，同时通过控制蓝牙发射功率和实施蓝牙私有协议和标准协议交叉复用，本申请较好地解决了智能电能表辅助端子取消后，多表位同时使用标准蓝牙技术检表面临的高延时、精度跳变、信道冲突等问题。

步骤S103，电能表检定台体低功耗蓝牙芯片，通过无线信道接收所述编码后的脉冲信号，并对所述编码后的脉冲信号进行解析，所述电能表检定台体低功耗蓝牙芯片还原输出脉冲信号。

电能表检定台体低功耗蓝牙芯片，通过无线射频解调接收所述编码后的脉冲信号，所述电能表检定台体低功耗蓝牙芯片对所述编码后的脉冲信号，按照通信协议进行解析，生成解析信息。所述解析信息，包括：通讯信息、时钟脉冲信号、有功脉冲信号、无功脉冲信号和谐波脉冲信号。

电能表低功耗蓝牙芯片和电能表检定台体低功耗蓝牙芯片，以预设步进扩展多个无线信道，通过调节发射功率控制通信距离，在传递脉冲信号的间隔中，还可以接收和发送通讯信息进行双向通信，在传递脉冲信号的过程中，还可以通过无线信道复用、信道分时复用、信号覆盖规划提高传递脉冲信号的过程中的抗干扰性。

如图2所示，图中GPIO指通用输入输出接口，脉冲信号传递基于硬件中断捕获、I/O信号还原、2.4GBLEGFSK(高斯频移键控)射频发射调制与接收解调链路实现。信号传递链路中射频的调制与解调均由硬件实现，而非软件实现；在信号捕获环节及I/O信号还原虽然是由软件代码实现，但是由于蓝牙芯片的Cortex-M系列主控器在I/O中断信号优先级最高的情况下，I/O中断进出响应时间是固定的12个系统主时钟周期，并且系统运行在尽可能高的主频，将信号传递引入的延时降低到最低。

脉冲信号以高低电平的方式输入给多芯模组化电能表中蓝牙模块的I/O， I/O外设采用硬件中断方式采集脉冲，检测到电平边沿信号跳变信号后，编码2.4G BLEGFSK(高斯频移键控)数据包，透过无线发送给台体信号接收端，接收端根据接收到的数据包，将电平信号还原输出到I/O端，将I/O信号输入给台体误差板检测。

I/O电平脉冲一次传递2个2.4GBLE GFSK信号，包含低电平->高电平以及高电平->低电平的信号跳变。因此数据包发送完成所需时间将决定了脉冲传递的最小宽度。当射频切换和调制占用时间越小，将越有利于脉冲传递系统区分越频繁的脉冲跳变时间，即脉冲芯片的频率越高。举例：在1Mbps的无线 PHY物理层调制速率情况下，芯片传递8字节数据，整个过程占用350微妙的时间。实际在电能脉冲和秒脉冲检测需求中，脉冲检定需求是80毫秒。因此，本申请所涉及的方法是满足电力行业实际应用需求的。

通讯协议：

以下数据包均采用BluetoothSIG蓝牙联盟定义的标准BLE 5.0PHY物理层执行无线电信号发射和接收，以BLEGFSK 1MBits调制速率或2Mbits调制速率执行数据调制。因此，本发明方法具备良好的硬件普适性。以下分2点描述无线物理层数据封包的格式，包括脉冲信号传输数据包和双向数据通讯数据包。

(1)电能表低功耗蓝牙芯片，在具备正常蓝牙链路的通信模式外，同时应具备蓝牙检定模式，在此模式下电能表可以通过通讯规约的设置，切换蓝牙输出电能脉冲、秒脉冲及多功能脉冲信号，用于电能表计量性能的检定检测。检定模式下，电能表蓝牙模块输出脉冲的格式如下：

前导码	地址	数据	校验码
				1字节	5字节	1字节	CRC

前导码：0xAA或0x55。地址最高位为1时，前导码为0xAA，反之则为 0x55。

地址：由4字节BASE地址和1字节PREFIX地址组成。

数据：bit7：通讯/脉冲模式，0-通讯模式，1-脉冲模式；bit6：预留；bit5-bit1 位：脉冲计数器(范围0～31)；bit0位：电平状态，0-低电平，1-高电平。

校验码：CRC16，CRC计算由硬件完成，计算方法同DL/T698.45-2017。

数据传输方向：高位在前，低位在后。

(2)电能表在检定模式下，蓝牙应具备通信功能，采用的数据格式如下：

前导码	地址	数据	校验码
				1字节	5字节	N字节(最大251字节)	CRC

前导码：0xAA或0x55。地址最高位为1时，前导码为0xAA，反之则为 0x55。

地址：由4字节BASE地址和1字节PREFIX地址组成。

数据：第一个字节代表通信或脉冲，bit7：1-脉冲，0-通信；bit6：0-不分包，1-分2包；bit5：包号；bit4-bit0：预留，全为0；第二个字节开始为通信数据。

校验码：CRC16。

数据传输方向：高位在前，低位在后。

实时双向通信时序设计：检定模式下的蓝牙通信功能，支持通信和脉冲同步进行，即在2个脉冲间隔中进行通讯，此时脉冲数据包无条件优先，即电能表蓝牙模块在接收到有电脉冲输入时，即使处在通讯过程中，也终止通讯，输出脉冲数据包。

频率资源分配：针对多表位电能表检定需求，需要在相同的作业空间场合内，实现低功耗蓝牙芯片通信数据传输及脉冲检定。因此，规划标准BLE 5.0 及Wifi频率范围2400MHz～2483.5MHz作为蓝牙通信数据传输所用，脉冲检定采用的是2360MHz～2400MHz及2484MHz～2500MHz，共计56MHz的频段资源，并且支持按照1MHz的频点进行配置设定。

蓝牙芯片的射频性能在不同的邻道间隔频率选择性时，表现出不同的抗干扰能力。简单而言，间隔频率越大，得到的领道干扰越小。因此检定装置可以采用最优的间隔频率分配给固定的检定表位，最小邻道设计：2MHz。针对相互联网的多个检定装置，可以通过上位机软件或服务器软件采用动态的信道分配算法，保证实时的信道分配最优解。

信道频率分配算法如图6所示。

为达成频率资源最高利用效率及复用性，本发明方法所阐述的分配算法如下：

频率分配满足如下规则：

①Fn-1+2<＝Fn<＝Fn+1–2；邻近信道频率点间隔大于2MHz；

②频率信道总数t＝m*n，其中m和n均为整数，且分解数m+n之和为最大值；6

③在L行*R列的分布空间内，则可以采用Z字形换行排列，其中L和R 中的最大值为Z字排列的起始位。在分组被充分排列耗尽后，可以根据规则①，采用循环的方式进行频率信道的复用。

举例,15M的信道，t＝15，那么可以分配为3*5，那么将频率将划分为如下分组情况：

{1,6,11}，{2,7,12}，{3,8,13}，{4,9,14}，{5,10,15}，那么分组之内频率间隔及分组之间的频率间隔均能取得最优的值。如将以上分组情况，分布于3*2 的检定装置上，将如下表所示意：

{1,6,11}	{2,7,12}	{3,8,13}
			{4,9,14}	{5,10,15}	{1,6,11}

空间区域控制：

根据射频信号接收选择性可知，如图3所示。若按照左边区域，A接收与 A发射配对为一对收发设备，右边区域B接收和B发射配对为一对设备，那么当A发射和B发射在同一个时刻，同一个频率发送无线数据时，在左区域中A 接收和右边区域的B接收必定存在同频干扰，但是当A接收对A发射所得的信号强度大于A接收对B发射所得的信号强度，且大于C/I1MBLE,co-channel 的参数指标，那么A接收仍然能够正常并正确地收到A发射的数据。因此，空间区域位置及无线信号发射强度是对抗干扰有直接的影响。

射频参数调节：

针对低功耗无线蓝牙信号传输来说，发射端的发射功率和接收端的接收灵敏度，将直接影响着收发两端的链路预算，将直接影响着端到端的通信距离。因此，在检定模式下，实际场景需求并不要求端对端的通信距离过长。所以适当地控制发射端的发射功率将有利于控制电能表与检定装置端的距离。

另外，多表位存在的空间里，发射功率越低对于周边的辐射噪声影响越小。另外，也可在蓝牙检定装置端接入可调节的信号衰减器，可达到将蓝牙转换器接收端的接收灵敏度进行调节抵消的效果，实现收发距离空间可控的作用。

本申请采用将电能表发射端功率控制在-40dBm，接收灵敏度-90dBm情况下，电能表与蓝牙转换器之间的通讯距离控制在1.5米范围。

物理结构：表位区域设计/定向天线/屏蔽筛网。

针对检定装置或自动化流水线，在实施本方法时，需要对表位的间隔进行标准化设计，采用上一代电能表检定装置或自动流水线的现有物理结构即可。针对电能表与蓝牙脉冲转换器之间的间隔距离设计在30～50厘米为适宜。也可以考虑在蓝牙脉冲转换装置端，设计定向天线，将天线接收面朝向电能表，控制信号接收的角度及范围。在实施条件便利或允许的情况下，可以采用屏蔽筛网的设计是效果最佳。

分时复用：

电能表在检定是需要测试电能脉冲及日计时秒脉冲。脉冲频率最高的情况下是80ms的时间内连续需要传递上升沿脉冲和下降沿脉冲，因此在检定模式下，可以约定一个时间机制完成脉冲信号状态从电能表端上报数据，且并发从脉冲转换器端下行命令数据的操作。如图4所示：

检定装置在触发电能表进入检定模式前，根据当前要执行的检定项目，可以计算出当前时刻脉冲输出的周期时间窗口，从而定义△T＝T窗口时间-20ms， (20ms为协议定义的余量时间)。同时，蓝牙转换器根据蓝牙传输速率及数据处理能力、缓存大小、约定MTU最大传数据包长度(最大长度251字节)。然后，检定装置将通过BLE低功耗蓝牙连接链路将该参数△T和MTU最大传输数据包长度下发给电能表。

在进入检定模式后，电能表和检定装置，均处于无线信号RX接收状态。当电能表检测脉冲发射信号(上升沿/下降沿)时，启动数据发射模式，并在发射数据完成后，打开一个△T的时间处于接收模式，其中余量20ms用于电能表端切换返回无线接收模式。如果检定装置在接收模式下，收到脉冲数据包后，有需要返回给电能表的命令时，则在对应的时间窗口内，切换为发射模式，将数据包发射给电能表端。通过以上时序约定即可分时复用完成检定模式的双向数据通讯。

在相同的检定装置内，约定不同的表位之间执行不同的检定项目，脉冲的数据时间在时域上也是不同时刻触发，也有分时应用的好处。

基于同一发明构思，本申请同时提供一种基于低功耗蓝牙芯片的电能表脉冲传递装置500，如图5所示，包括：

编码单元510，电能表低功耗蓝牙芯片采集输入的脉冲信号，并对所述脉冲信号进行编码；

信号发送单元520，所述电能表低功耗蓝牙芯片通过无线信道发送编码后的脉冲信号；

解析单元530，电能表检定台体低功耗蓝牙芯片，通过无线信道接收所述编码后的脉冲信号，并对所述编码后的脉冲信号进行解析，所述电能表检定台体低功耗蓝牙芯片还原输出脉冲信号。

综上，本发明的方法应用低延时脉冲采集及编码、脉冲传输通信协议、多信道多频点多表位工作情况下的抗干扰方法、低抖动实时双向通信实时设计、低延时脉冲解码及还原，共5个技术创新应用要素，对电能表低功耗蓝牙芯片对脉冲信号进行采集、编码，通过无线信道对脉冲信号进行发送，电能表检定台体低功耗蓝牙芯片通过无线信道接收脉冲信号并进行解码，完成脉冲信号的传递，解决电能表检定装置或自动化检定流水线采用光信号接收装置执行检定，存在容易受环境光线干扰、光接收装置与智能电能表对准麻烦、检定效率低及改造成本偏高等问题。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于低功耗蓝牙芯片的电能表脉冲传递方法，其特征在于，包括：

电能表低功耗蓝牙芯片采集输入的脉冲信号，并对所述脉冲信号进行编码；

所述电能表低功耗蓝牙芯片通过无线信道发送编码后的脉冲信号；

电能表检定台体低功耗蓝牙芯片，通过无线信道接收所述编码后的脉冲信号，并对所述编码后的脉冲信号进行解析，所述电能表检定台体低功耗蓝牙芯片还原输出脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电能表低功耗蓝牙芯片采集输入的脉冲信号，并对所述脉冲信号进行编码，包括：

电能表低功耗蓝牙芯片通过硬件I/O中断方式执行输入的脉冲信号采集；

所述电能表低功耗蓝牙芯片，根据通信协议对所述脉冲信号包含的通讯信息、时钟脉冲信号、有功脉冲信号、无功脉冲信号和谐波脉冲信号进行编码。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电能表低功耗蓝牙芯片通过无线信道发送编码后的脉冲信号，包括：

所述电能表低功耗蓝牙芯片通过无线射频调制发送编码后的脉冲信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电能表检定台体低功耗蓝牙芯片，通过无线信道接收所述编码后的脉冲信号，并对所述编码后的脉冲信号进行解析，包括：

电能表检定台体低功耗蓝牙芯片，通过无线射频解调接收所述编码后的脉冲信号；

所述电能表检定台体低功耗蓝牙芯片对所述编码后的脉冲信号，按照通信协议进行解析，生成解析信息。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述解析信息，包括：

通讯信息、时钟脉冲信号、有功脉冲信号、无功脉冲信号和谐波脉冲信号。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

电能表低功耗蓝牙芯片和电能表检定台体低功耗蓝牙芯片，以预设步进扩展多个无线信道。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

电能表低功耗蓝牙芯片和电能表检定台体低功耗蓝牙芯片，通过调节发射功率控制通信距离。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

电能表低功耗蓝牙芯片和电能表检定台体低功耗蓝牙芯片，在传递脉冲信号的间隔中，还可以接收和发送通讯信息进行双向通信。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

电能表低功耗蓝牙芯片和电能表检定台体低功耗蓝牙芯片，在传递脉冲信号的过程中，还可以通过无线信道复用、信道分时复用、信号覆盖规划提高传递脉冲信号的过程中的抗干扰性。

10.一种基于低功耗蓝牙芯片的电能表脉冲传递装置，其特征在于，包括：

编码单元，电能表低功耗蓝牙芯片采集输入的脉冲信号，并对所述脉冲信号进行编码；

信号发送单元，所述电能表低功耗蓝牙芯片通过无线信道发送编码后的脉冲信号；

解析单元，电能表检定台体低功耗蓝牙芯片，通过无线信道接收所述编码后的脉冲信号，并对所述编码后的脉冲信号进行解析，所述电能表检定台体低功耗蓝牙芯片还原输出脉冲信号。

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