CN102435975B - 一种智能费控电能表进行时钟校准的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种智能费控电能表及时钟校准方法，其特征是：所述智能费控电能表以集成硬件时钟的单片机系统为基础；所述集成硬件时钟的单片机系统包括：集成硬件时钟的单片机、晶振和温度补偿电路；所述晶振与所述集成硬件时钟的单片机相连，所述温度补偿电路与所述集成硬件时钟的单片机相连。所述时钟校准的方法，根据测出的多组温度与频率误差对应值计算出智能费控电能表的温度-频率误差曲线方程，智能费控电能表的单片机根据频率误差进行时钟频率调节。本发明提供的智能费控电能表以集成硬件时钟的单片机系统为基础，利用外部的晶振作为内部硬件时钟的基准频率，根据晶振温度频率特性对不同的温度点进行补偿，采用软件补偿的内部硬时钟单片机，既满足全温度范围内精度要求可靠性又高，同时降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种计量表，具体讲涉及一种智能费控电能表及时钟校准方法。
背景技术
随着智能电网的不断发展，作为电网最基础终端的智能电能表也有了飞速的发展，按照不同季节、不同日期、不同时间分别计费的智能费控电能表已经成为电能表的发展趋势。但是，此种电能表收费的公平合理是以高精度的系统时钟保证的。
为了达到时钟精度要求，现有的智能费控电能表一般采用带温度补偿的外部硬件时钟芯片，如：RX8025T或DS3231。
既满足全温度范围内精度要求可靠性又高的硬件时钟昂贵。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中智能费控电能表的时钟随温度变化量大，运行不可靠的缺点，提供一种不仅使得智能费控电能表满足时钟精度而且大幅降低生产成本。
本发明提供的一种智能费控电能表，以集成硬件时钟的单片机系统为基础；
所述集成硬件时钟的单片机系统包括：集成硬件时钟的单片机、晶振和温度补偿电路；所述晶振与所述集成硬件时钟的单片机相连，所述温度补偿电路与所述集成硬件时钟的单片机相连。
本发明提供的一种智能费控电能表的第一优选技术方案中：所述晶振与所述集成硬件时钟的单片机的时钟晶振输入管脚相连；所述温度补偿电路与所述集成硬件时钟的单片机的一个AD管脚相连。
本发明提供的一种智能费控电能表的第二优选技术方案中：所述晶振的频 率为32.768kHz。
本发明提供的一种智能费控电能表的第三优选技术方案中：所述温度补偿电路包括：一个负温度系数的热敏电阻和上拉电阻R1；其中：所述热敏电阻一端接地，另一端通过上拉电阻R1接到系统电源；所述热敏电阻与所述上拉电阻R1的连接处接入所述单片机的一个AD管脚。
本发明提供的一种时钟校准的方法，所述方法包括如下步骤：
1)选取大于预设数目的智能费控电能表；
2)对每块智能费控电能表分别在预设的温度区间选取n个温度点，其中n不小于3，记录时钟频率误差；
3)把测量出的数据代入晶振的温度-频率误差曲线方程PPM＝k*(T-T0)2-a中，得到每块智能费控电能表的k值，其中ppm为因变量频率误差，T为自变量温度，(T0，a)为PPM曲线的顶点，标称值为(25±5℃，0±5ppm)；k为PPM曲线的开口参数，标称值为0.036±0.006ppm/℃2；
4)计算离散k值的平均值K0，获得智能费控电能表的k值为K0；
5)测量每块智能费控电能表的两个温度点的频率误差，根据已知的平均值K0值及两个温度点的测试结果，确定每块表的3个参数k、T0、a，确定每块智能费控电能表的频率误差随温度变化的关系表达式：PPM＝k*(T-T0)2-a。
本发明提供的智能费控电能表的时钟校准的方法的第一优选技术方案中：还包括：6)在预设的时间间隔检测智能费控电能表当前温度，并根据步骤5)中已经确定的智能费控电能表的频率误差随温度变化的关系表达式计算频率误差，所述智能费控电能表的集成硬件时钟的单片机根据频率误差进行时钟频率调节。
本发明提供的智能费控电能表的时钟校准的方法的第二优选技术方案中：对每块智能费控电能表分别在-40℃至85℃的温度区间选取n个温度点。
本发明提供的智能费控电能表的时钟校准的方法的第三优选技术方案中：把频率误差随温度变化的关系写进智能费控电能表的单片机中，把连续的数据 离散化。
本发明与现有技术的有益效果在于：
时钟运行精准可靠，随温度变化量小，在满足性能的前提下，可以极大的降低电能表成本，并且具有极大的可行性。
附图说明
图1是本发明提供的智能费控电能表功能结构示意图；
图2是本发明提供的晶振及温度补偿电路结构框图；
图3是本发明提供的实际的晶振及温度补偿电路示意图；
图4是本发明提供的晶振的ppm曲线示意图；
图5是本发明提供的时钟校准方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明提供的一种智能费控电能表，其功能结构示意图如图1所示，由图1可以看出，该智能费控电能表是以一个集成硬件时钟的单片机系统为基础的。
该集成硬件时钟的单片机系统包括：集成硬件时钟的单片机、晶振和温度补偿电路，晶振与集成硬件时钟的单片机相连，温度补偿电路与集成硬件时钟的单片机相连。
本发明提供的一种智能费控电能表中的单片机可以满足智能需求，包括足够的GPIO、定时器、串口、中断口、AD口等，还要集成一个硬件时钟，此时钟独立于单片机的内核，通过正确的软件设置可以完成硬件时间的所有要求，包括时钟计数、万年历、秒脉冲输出、闰年自动调整功能等，并且在低功耗情况下独立于内核运行，因为ST公司生产的STM08GC101MB带内部独立时钟，所以，本发明以此为例，描述了以集成硬件时钟的单片机为基础的智能费控电能表的设计方案。但是，本发明所保护的范围不限于此芯片。
硬件时钟频率基准来自外部的32.768kHz的晶振，所以时钟的精度依赖于外部晶振的精度。32.768kHz晶振采用高精度晶振，但是为了达到全温度范围内的精度要求，就需要进行温度补偿。具体方法为：测量32.768kHz晶振的温度，根据其温度频率特性对不同的温度点进行补偿。如图2所示为本发明提供的晶振及温度补偿电路结构框图，并且图2为图1中单片机系统的一部分。
图3为实际的晶振及温度补偿电路示意图。图3中，用一个高精度的负温度系数的热敏电阻(NTC)作为温度传感器，所示热敏电阻Rt一端接地，另一端通过上拉电阻R1接到系统电源，单片机的一个AD管脚接到RTCT网络(即接到热敏电阻Rt与上拉电阻R1的连接处)用来测量温度。XT1、XT2网络接到单片机的时钟晶振输入管脚，用32768Hz晶振X1为单片机集成的硬件时钟提供基准频率，电容C1、C2为晶振X1的匹配电容。
在设计PCB板时Rt要与X1相靠近，这样才能保证Rt测量出来的温度与X1基本相同。X1要选用高精度，一致性好的晶振。即使晶振的精度较高，但是随着温度的变化晶振的频率也会出现偏移，所以为了达到要求，需要对时钟进行温度补偿即，时钟需要校准。
晶振的温度-频率误差曲线(即PPM曲线)的示意图如图4所示，抛物线的方程为：
PPM＝k*(T-T0)2-a (1)
其中PPM为因变量频率误差，T为自变量温度，(T0，a)为抛物线的顶点，标称值为(25±5℃，0±5ppm)；k为抛物线的开口参数，标称值为0.036±0.006ppm/℃2。如果能确定每块表的k、T0、a三个参数就能确定抛物线的具体形状和位置，理论上可以通过测试三个温度点的时钟误差就可以确定抛物线的形状和位置，但是实际中，会测量尽可能多的温度点来确认此抛物线。因为同一批晶振k值偏差很小，可以忽略不计，所以，可以假设同一批次的晶振的抛物线形状基本一致的，即同一批晶振可以用同一k值计算。但是同一批晶振的顶点偏差较大即，T0、a需要每块表单独校准。
综上，本发明提供的所述智能电能表的时钟校准方法流程如图5所示，具体实施例如下：
1)从同批次智能费控电能表中选取表样，其表样的数目可以预设值，例如大于10。
从同批次智能费控电能表中选取的样表数量不能太少，样表数量太少不具有代表性，样表数量太多试验周期太长，计算复杂，可行性差。
2)对每块智能费控电能表分别预设的温度区间选取n个温度点，其中n不小于3，记录时钟精度。
预设的温度区间可以为-40℃至85℃。选取n个温度点，n越大越精确，但是取点太多，计算量大，但是n值太小不能满足精度要求，可以用实验法确定n的具体值。其中，选取n个温度点的规则为：两端选取点较多，中间选取点较少，因为两端斜率大，数据变化快，中间较平坦，数据变化慢。
3)把测量出的数据代入公式(1)(即晶振的温度-频率误差曲线方程PPM＝k*(T-T0)2-a)中，得到每块智能费控电能表的k值。
当选取的温度点的点数n等于3时，将三组温度与频率误差的对应数值代入公式PPM＝k*(T-T0)2-a中，求解出k值即可；
当选取的温度点的点数n大于3时，画出这n个温度与频率误差对应的点，以最靠近这n个温度与频率误差对应点并且符合公式PPM＝k*(T-T0)2-a的曲线作为该智能费控电能表的PPM曲线，并根据该曲线求出该智能费控电能表的k值。
4)计算离散k值的平均值K0，获得本批次智能费控电能表的k值为K0。
5)测量每块智能费控电能表的两个温度点的频率误差，根据已知的平均值K0值及两个温度点的测试结果，确定每块智能费控电能表的3个参数k、T0、a。从而唯一确定了每块智能费控电能表的频率误差随温度变化的关系：PPM＝k*(T-T0)2-a。
6)综上，电能表会在预设的时间间隔内内检测当前温度，并根据已经确定 的温度-频率误差关系计算频率误差，单片机根据频率误差进行时钟频率调节。
一般情况下，为了减少电能表的计算量，提高程序运行的速度，并且保证计算精度，我们会把温度-频率误差的关系以表格形式写进单片机程序中，把连续的数据离散化。
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，所述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同等替换，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 (3)
1.一种智能费控电能表进行时钟校准的方法，其特征在于：所述智能费控电能表进行时钟校准的方法包括如下步骤：
1)选取大于预设数目的智能费控电能表；
所述智能费控电能表以集成硬件时钟的单片机系统为基础；
所述集成硬件时钟的单片机系统包括：集成硬件时钟的单片机、晶振和温度补偿电路；
所述晶振与所述集成硬件时钟的单片机相连，所述温度补偿电路与所述集成硬件时钟的单片机相连；
所述晶振的频率为32.768kHz；
所述晶振与所述集成硬件时钟的单片机的时钟晶振输入管脚相连；
所述温度补偿电路与所述集成硬件时钟的单片机的一个AD管脚相连；
所述温度补偿电路包括：
一个负温度系数的热敏电阻和上拉电阻R1；其中：
所述热敏电阻一端接地，另一端通过上拉电阻R1接到系统电源；所述热敏电阻与所述上拉电阻R1的连接处接入所述单片机的一个AD管脚；
2)对每块智能费控电能表分别在预设的温度区间选取n个温度点，其中n不小于3，记录时钟精度；
3)把测量出的数据代入晶振的温度一频率误差曲线方程PPM＝k*(T-T0)2-a中，得到每块智能费控电能表的k值，其中ppm为因变量频率误差，T为自变量温度，(T0，a)为PPM曲线的顶点，标称值为(25±5℃，0±5ppm)；k为PPM曲线的开口参数，标称值为0.036±0.006ppw/℃2；
4)计算离散k值的平均值K0，获得智能费控电能表的k值为K0；
5)测量每块智能费控电能表的两个温度点的频率误差，根据己知的平均值K0值及两个温度点的测试结果，确定每块表的3个参数k、T0、a，确定每块智能费控电能表的频率误差随温度变化的关系表达式：PPM＝k*(T-T0)2-a；
6)在预设的时间间隔检测智能费控电能表当前温度，并根据步骤5)中已经确定的智能费控电能表的频率误差随温度变化的关系表达式计算频率误差，所述智能费控电能表的集成硬件时钟的单片机根据频率误差进行时钟频率调节。
2.根据权利要求1所述的智能费控电能表进行时钟校准的方法，其特征在于，所述步骤2)对每块智能费控电能表分别在-40℃至85℃的温度区间选取n个温度点。
3.根据权利要求1或2所述的智能费控电能表进行时钟校准的方法，其特征在于，把频率误差随温度变化的关系写进智能费控电能表的单片机中，把连续的数据离散化。
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