CN112147561B - 基于低功耗蓝牙的多芯智能电表时钟精度测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于低功耗蓝牙的多芯智能电表时钟精度测试系统；涉及电表测试领域。目前通过蓝牙测试时钟信号进行时钟精度测试，需要将电信号转成蓝牙信号进行发送，测试精度低。本发明的电表测试机台和/或多芯智能电表设有配置模块，进入测试之前，配置模块配置对应的多芯智能电表和/或电表测试机台进入DTM测试模式，配置发送数据包格式，设置发送和接收端进入相同的通信信道；发射端计量芯片和发射端蓝牙模块通过有线的方式进行连接。本技术方案针对运用蓝牙DTM模式把电信号转成蓝牙信号，保证延时最小且固定；从而能够最大程度减少引入测试误差，提高测试精度。

Description

基于低功耗蓝牙的多芯智能电表时钟精度测试系统

技术领域

本发明涉及电表测试领域，尤其涉及基于低功耗蓝牙的多芯智能电表时钟精度测试系统。

背景技术

中国专利 （公布号CN 109725278 A）介绍了一种非接触式智能电表室内检定系统，包括电表及检表台体，所述电表包括计量模块、控制模块、存储模块、显示模块及蓝牙模块，所述检表台体包括蓝牙组件及检测模块，所述计量模块用于实现电表计量功能，所述控制模块连接计量模块、存储模块、显示模块及电表的蓝牙模块，所述电表的蓝牙模块与检表台体的蓝牙组件无线连接。将传统的外置接头的设置改为蓝牙模块，所有信息均通过蓝牙传输，减少了检定时接触不良导致的损坏，降低了成本，同时无线通讯提高了工作效率。

上述发明提到为了通过蓝牙测试时钟信号，要将电表蓝牙模块和台体的蓝牙组件无线连接。众所周知因为低功耗蓝牙协议的特殊性，因为最小的连接间隔的存在，建立连接情况下进行数据传输存在会有一个0~7.5ms的不固定延时，所以如果在连接基础上将电信号转成蓝牙信号进行发送，其测试精度并不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供基于低功耗蓝牙的多芯智能电表时钟精度测试系统，以提高测试精度的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

基于低功耗蓝牙的多芯智能电表时钟精度测试系统，包括电表测试机台，所述的电表测试机台作为接收端，其上设有接收端蓝牙模块及与接收端蓝牙模块相连的时钟测试芯片；所述的接收端蓝牙模块与多芯智能电表的发射端蓝牙模块相连，所述的发射端蓝牙模块与位于同一多芯智能电表中的计量芯片相连；多芯智能电表作为发射端；电表测试机台和/或多芯智能电表设有配置模块，进入测试之前，发送配置命令使对应的多芯智能电表和/或电表测试机台进入DTM测试模式，配置发送数据包格式，设置发送和接收端进入相同的通信信道；发射端计量芯片和发射端蓝牙模块通过有线的方式进行连接；

进入测试模式后，计量芯片将自身时钟产生的高低电平的方式通过计量芯片和发射端蓝牙模块的连接线传给发射端蓝牙模块；高低电平触发发射端蓝牙模块的中断，发射端蓝牙模块接收到中断之后，在中断中即刻配置蓝牙模块在设定好的信道发送无线数据包；

进入测试模式后，接收端蓝牙模块处于接收状态，当接收到发射端蓝牙模块在设定好信道发送来的无线数据包之后，产生一个接收中断，在接收中断处理中，接收端蓝牙模块会将数据包的接收转换成高低电平的翻转通过有线的方式传给时钟测试芯片；时钟测试芯片通过高低电平翻转的时候，精确计算发射端计量芯片的时钟精度。

本技术方案针对运用蓝牙DTM模式把电信号转成蓝牙信号，保证延时最小且固定。利用蓝牙的Direct Test Mode 在不建立连接的情况下，将电信号直接转换成蓝牙数据包，接收端只要配置进入接收模式，并设置同样的接收信道即可接收蓝牙数据包。这种方式能够很大程度上减少电信号转换成蓝牙信号的时间，并且转换时间由硬件决定时间固定。从而能够最大程度减少引入测试误差，提高测试精度。

作为优选技术手段：系统设有多个电表测试机台，所述的电表测试机台、多芯智能电表均设有配置模块；在测试过程中，固定每个电表测试机台的通信信道，仅对需要测试的多芯智能电表通过配置模块配置为通信信道，使其与对应的电表测试机台通信。基于非连接方式能有效提高测试效率，可在0-39信道自由选择发射端和接收端的通讯信道，提高操作的灵活性，多个电表可以同时进行操作，且也只要修改测试的电能的通信信道即可，提高操作的效率。

作为优选技术手段：计量芯片时钟信号产生电平翻转接到发送模块的IO上，信号的电平翻转会使得发射端产生外部中断，发送模块会在中断处理函数中直接配置发射端蓝牙相应寄存器，包括信道选择和数据包类型设置以及状态配置，并启动发送；中断处理耗费的时间跟指令长度和系统时钟相关，指令长度和系统时钟固定的情况下，中断处理时间固定的；软件设置启动发送之后，底层硬件会按照配置将数据发出，这段时间都是硬件行为相对固定；

接收端配置与发射端相同的接收信道，接收到发送模块发送的指定数据之后触发接收端蓝牙的接收中断；在接收中断处理函数中会立刻设置寄存器，通过IO翻转将信号传给时钟测试芯片；接收端处理时间耗费占比最大的是中断处理函数的指令运行时间，当指令长度固定则接收端时延固定，指令运行时间固定；IO翻转的硬件延时，时间耗费占比小，IO翻转的硬件延时忽略不计。

本发明无线数据包的发送可以设置BLE 40个信道中的任意一个，并且数据包空中传输的速度是光速。数据空中传输速度是光速，传输的时间忽略不计。电表的计量芯片的I/O电平翻转最终转换成接收端蓝牙模块I/O电平翻转中间的延时主要是硬件启动发射以及中断处理函数运行时间。实测转换产生的延时710us左右，误差保持在1ppm，完全可以达到电表时钟检测精度。

作为优选技术手段：发射端工作时，其包括：

阶段1：io中断处理和mcu指令处理，由于io中断处理和mcu指令处理时间固定，所以指令运行时间固定的；

阶段2：硬件设置寄存器后，配置状态机发送，硬件执行时间固定；

阶段3：射频信号空中传输

其中，阶段1和阶段2的执行时间误差由晶振精度决定。

发射端工作时，其包括：

阶段4：io中断处理、mcu指令处理，由于io中断处理、mcu指令处理时间固定，mcu执行时间误差由晶振精度决定；

由于整体发送及接收时间延时固定不到1ms，mcu使用晶振误差为50ppm以内，故整体误差不超过1us。

有益效果：

本技方案利用了BLE的通信技术实现了对电表时钟的精确检测。替换了原来光脉冲检测方案，有效降低了成本。

直接利用多芯智能电表用于无线通信的蓝牙模块实现时钟精确测试，不用专门增加外围电路设备，有效降低了成本。利用蓝牙特殊测试模式发送单个数据包的特性，避开了BLE传统的广播连接模式，大大提高了时钟检测的精度达到1ppm，减少错误率，提高测试效率。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。

图2是本发明的发射端工作过程图。

图3是本发明的接收端工作过程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

Bluetooth low energy 简称BLE，是一种短距离无线通信协议。国家电网制定的新型多芯智能电表中要求电表与其他配套设备互联互通采用BLE这种无线通信方式。智能电表作为计量管理计量用户用电量的设备，其时钟精度是一个非常重要的指标。在此之前，智能电表的时钟精度是通过光脉冲进行测试的。电表作为发射端，将电表的时钟信号转换成光脉冲信号，测试设备作为接收端，接收光脉冲信号，并且准确的通过接收光脉冲信号的时间间隔精确计算出电表的时钟精度。本发明正是在新型智能电表采用BLE的无线通信方式的背景下产生，通过BLE的无线信号的发送和接收准确的计算电表的时钟精度。

如图1所示，本发明包括电表测试机台，所述的电表测试机台作为接收端，其上设有接收端蓝牙模块及与接收端蓝牙模块相连的时钟测试芯片；所述的接收端蓝牙模块与多芯智能电表的发射端蓝牙模块相连，所述的发射端蓝牙模块与位于同一多芯智能电表中的计量芯片相连；多芯智能电表作为发射端；电表测试机台和/或多芯智能电表设有配置模块，进入测试之前，配置模块配置对应的多芯智能电表和/或电表测试机台进入DTM测试模式，配置发送数据包格式，设置发送和接收端进入相同的通信信道；发射端计量芯片和发射端蓝牙模块通过有线的方式进行连接；

进入测试模式后，计量芯片将自身时钟产生的高低电平的方式通过计量芯片和发射端蓝牙模块的连接线传给发射端蓝牙模块；高低电平触发发射端蓝牙模块的中断，发射端蓝牙模块接收到中断之后，在中断中即刻配置蓝牙模块在设定好的信道发送无线数据包；

进入测试模式后，接收端蓝牙模块处于接收状态，当接收到发射端蓝牙模块在设定好信道发送来的无线数据包之后，产生一个接收中断，在接收中断处理中，接收端蓝牙模块会将数据包的接收转换成高低电平的翻转通过有线的方式传给时钟测试芯片；时钟测试芯片通过高低电平翻转的时候，精确计算发射端计量芯片的时钟精度。

为方便查看，测试结果实时显示在测试机台的数码显示器上。

本发明无线数据包的发送可以设置BLE 40个信道中的任意一个，并且数据包空中传输的速度是光速。电表的计量芯片的I/O电平翻转最终转换成接收端蓝牙模块I/O电平翻转中间的延时主要是硬件启动发射以及中断处理函数运行时间。实测转换产生的延时710us左右，误差保持在1ppm，完全可以达到电表时钟检测精度。

为解释本发明的作用效果，现对时钟测试原理作进一步的说明：

计量芯片时钟信号产生电平翻转接到发送模块的IO上，信号的电平翻转会使得发射端产生外部中断，发送模块会在中断处理函数中直接配置蓝牙相关寄存器，包括信道选择和数据包类型设置以及状态配置等，并启动发送。中断处理耗费的时间跟指令长度和系统时钟相关，指令长度和系统时钟固定的情况下，中断处理时间就是固定的。软件设置启动发送之后，底层硬件会按照配置将数据发出，这段时间都是硬件行为相对固定。数据空中传输速度是光速，传输的时间忽略不计。

接收端因为配置了相同的接收信道，接收到发送模块发送的指定数据之后也会触发蓝牙的接收中断。在接收中断处理函数中会立刻设置寄存器，通过IO翻转将信号传给测试系统。接收端处理时间耗费主要是中断处理函数的指令运行，如前所述，若指令长度固定则接收端时延固定。IO翻转的硬件延时，此处基本可以忽略不计。

综上：整个数据包发送接收过程时间主要可以分为三部分：

1.发射端外部中断指令运行时间

2.发射端射频硬件启动和数据发送时间

3.接收端蓝牙中断指令运行时间

其中1和3指令长度固定，运行时间收到系统时钟影响，2受到硬件本身设计和系统时钟影响。针对具体发送模块，个体误差仅仅是受到26M系统时钟影响。26M系统时钟的误差控制在50PPM以内，而发射端接收总时间是700us左右。综合系统时钟误差和其他因素带来的误差，可以确保时延固定，误差可控制在1us。

具体过程为：

蓝牙发送模组：其工作过程如图2所示。

阶段1：io中断处理，mcu指令固定，所以指令运行时间固定的

阶段2：硬件设置寄存器后，配置状态机发送，硬件执行时间固定

阶段3：射频信号空中传输

阶段1和阶段2 mcu执行时间误差由晶振精度决定。

蓝牙接收模组：其工作过程如图3所示。

阶段4：io中断处理，mcu指令固定，mcu执行时间误差由晶振精度决定。

整体发送及接收时间延时固定不到1ms，mcu使用晶振误差一般50ppm以内，所以整体误差不超过1us。

本技术方案巧妙的利用了BLE的通信技术实现了对电表时钟的精确检测。替换了原来光脉冲检测方案，有效降低了成本。直接利用多芯智能电表用于无线通信的蓝牙模块实现时钟精确测试，不用专门增加外围电路设备，有效降低了成本。利用蓝牙特殊测试模式发送单个数据包的特性，避开了BLE传统的广播连接模式，大大提高了时钟检测的精度达到1ppm，减少错误率，提高测试效率。

以上图1-3所示的基于低功耗蓝牙的多芯智能电表时钟精度测试系统是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (4)

1.基于低功耗蓝牙的多芯智能电表时钟精度测试系统，包括电表测试机台，所述的电表测试机台作为接收端，其上设有接收端蓝牙模块及与接收端蓝牙模块相连的时钟测试芯片；所述的接收端蓝牙模块与多芯智能电表的发射端蓝牙模块相连，所述的发射端蓝牙模块与位于同一多芯智能电表中的计量芯片相连；多芯智能电表作为发射端；其特征在于：电表测试机台和/或多芯智能电表设有配置模块，进入测试之前，发送配置命令使对应的多芯智能电表和/或电表测试机台进入DTM测试模式，配置发送数据包格式，设置发送和接收端进入相同的通信信道；发射端计量芯片和发射端蓝牙模块通过有线的方式进行连接；

进入测试模式后，计量芯片将自身时钟产生的高低电平的方式通过计量芯片和发射端蓝牙模块的连接线传给发射端蓝牙模块；高低电平触发发射端蓝牙模块的中断，发射端蓝牙模块接收到中断之后，在中断中即刻配置蓝牙模块在设定好的信道发送无线数据包；

进入测试模式后，接收端蓝牙模块处于接收状态，当接收到发射端蓝牙模块在设定好信道发送来的无线数据包之后，产生一个接收中断，在接收中断处理中，接收端蓝牙模块会将数据包的接收转换成高低电平的翻转通过有线的方式传给时钟测试芯片；时钟测试芯片通过高低电平翻转的时候，精确计算发射端计量芯片的时钟精度；

通过采用蓝牙DTM模式把电信号转成蓝牙信号，保证延时最小且固定；利用蓝牙的Direct Test Mode在不建立连接的情况下，将电信号直接转换成蓝牙数据包，接收端只要配置进入接收模式，并设置同样的接收信道即可接收蓝牙数据包，以减少电信号转换成蓝牙信号的时间，并且转换时间由硬件决定时间固定；减少引入测试误差，提高测试精度。

2.根据权利要求1所述的基于低功耗蓝牙的多芯智能电表时钟精度测试系统，其特征在于：系统设有多个电表测试机台，所述的电表测试机台、多芯智能电表均设有配置模块；在测试过程中，固定每个电表测试机台的通信信道，仅对需要测试的多芯智能电表通过配置模块配置为通信信道，使其与对应的电表测试机台通信。

3.根据权利要求2所述的基于低功耗蓝牙的多芯智能电表时钟精度测试系统，其特征在于：

计量芯片时钟信号产生电平翻转接到发送模块的IO上，信号的电平翻转使得发射端产生外部中断，发送模块在中断处理函数中直接配置发射端蓝牙相应寄存器，包括信道选择和数据包类型设置以及状态配置，并启动发送；中断处理耗费的时间跟指令长度和系统时钟相关，指令长度和系统时钟固定的情况下，中断处理时间固定的；指令设置启动发送之后，底层硬件按照配置将数据发出，这段时间都是硬件行为相对固定；

接收端配置与发射端相同的接收信道，接收到发送模块发送的指定数据之后触发接收端蓝牙的接收中断；在接收中断处理函数中会立刻设置寄存器，通过IO翻转将信号传给时钟测试芯片；接收端处理时间耗费占比最大的是中断处理函数的指令运行时间，当指令长度固定则接收端时延固定，指令运行时间固定；IO翻转的硬件延时，时间耗费占比小，IO翻转的硬件延时忽略不计。

4.根据权利要求3所述的基于低功耗蓝牙的多芯智能电表时钟精度测试系统，其特征在于：

发射端工作时，其包括：

阶段1：io中断处理和mcu指令处理，由于io中断处理和mcu指令处理时间固定，所以指令运行时间固定的；

阶段2：硬件设置寄存器后，配置状态机发送，硬件执行时间固定；

阶段3：射频信号空中传输

其中，阶段1和阶段2的执行时间误差由晶振精度决定；

发射端工作时，其包括：

阶段4：io中断处理、mcu指令处理，由于io中断处理、mcu指令处理时间固定，mcu执行时间误差由晶振精度决定；

由于整体发送及接收时间延时固定不到1ms，mcu使用晶振误差为50ppm以内，故整体误差不超过1us。

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