CN103176400B - 智能电表时钟校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能电表时钟校准方法。本发明目的提供智能电表时钟校准方法，利用单片机常规资源实现宽范围高精度误差修正。本发明技术方案：a、测得不同温度点的频率偏差值，模拟温度-频率偏差曲线；b、确定粗调的最小修正值，利用步骤a得到的方程计算出当前温度下的频率偏差作为补偿值；c、若补偿值小于粗调最小修正值，则执行步骤g，否则执行步骤d；d、若M为2、3、4或5，执行步骤e，否则执行步骤f；e、内部脉冲计数器对晶体振荡器输出信号进行脉冲计数，粗调，然后执行步骤g；f、对晶体振荡器输出信号进行倍频或分频得到信号Ft；g、晶体振荡器输出端配置有可控电容阵列。

Description

智能电表时钟校准方法

技术领域

本发明涉及一种时钟偏差的修正方法，特别是一种智能电表时钟校准方法，主要适用于基于单片机内部定时器的万年历时钟系统。

背景技术

随着科技的发展和社会的进步，对仪器设备提出了更高的要求，智能仪器仪表应用而生，智能仪器仪表必然包含万年历时钟系统。目前，高精度万年历时钟系统主要采用专用集成芯片来满足智能仪器的设计需求，例如采用日本的RX8025（T），美国的DS3231等。但是，对于大量生产需求而言却增加了采购难度和原材料成本。为此，我们基于单片机通用定时器的高精度万年历时钟系统，直接利用单片机常规资源，通过晶体特性，研发出一种工业级现场应用的高精度时钟校准方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种智能电表时钟校准方法，直接利用单片机常规资源，实现宽范围高精度的误差修正。

本发明所采用的技术方案是：智能电表时钟校准方法，其特征在于步骤如下：

a、随机抽取一只电表，测得不同温度点的频率偏差值，并模拟出温度-频率偏差的二次三项式曲线方程；

b、确定粗调的最小修正值，利用步骤a得到的方程计算出当前温度下的频率偏差作为补偿值，用该补偿值除以粗调最小修正值，取整作为粗调值C，取余作为细调值X；其中粗调最小修正值的倒数N为晶体振荡器输出信号频率的M倍，M或1/M取整；

c、若补偿值小于粗调最小修正值，则执行步骤g，否则执行步骤d；

d、若M为2、3、4或5，执行步骤e，否则执行步骤f；

e、内部脉冲计数器对晶体振荡器输出信号进行脉冲计数，当计满N个脉冲时，将晶体振荡器输出信号增加或减少C个脉冲，实现粗调，然后执行步骤g；

f、对晶体振荡器输出信号进行倍频或分频得到信号Ft，使得粗调最小修正值的倒数N为信号Ft频率的M倍，且M取2、3、4或5；内部脉冲计数器对Ft进行脉冲计数，当计满N个脉冲时，将Ft增加或减少C个脉冲，实现粗调；

g、晶体振荡器输出端配置有可控电容阵列，通过理论计算和多组实践数据验证得出电容阵列的最小修正频率，然后用细调值X除以最小修正频率，取整作为需并联电容阵列中单位电容的个数R，并控制任意R个单位电容并联于晶体振荡器输出端，实现细调。

完成细调后，采用100M恒温标准晶体作为频率参考，对电表输出的1Hz信号进行连续采样，再利用采样出来的时间长度与标称晶体的时间长度进行比较，得到误差，并精确到0.1PPM；将计算得到的误差作为补偿的差值，通过晶体匹配电容与频率的关系得到匹配电容阵列的排布，最后调整出准确的常温频率。

校准过程中，每分钟测量一次环境温度，连续两次温度测量值的变化量小于0.55摄氏度。

所述粗调最小修正值为3.815PPM，粗调最小修正值的倒数N为262144。

所述晶体振荡器输出信号的频率为32768Hz；粗调时，对晶体振荡器输出的信号进行2倍频，得到频率为65536Hz的信号Ft，内部脉冲计数器对Ft进行脉冲计数，当计满262144个脉冲时，将Ft增加或减少C个脉冲。

所述电容阵列等效于128个容值为0.1289PF的单位电容并联。

所述电容阵列的最小修正频率为0.31PPM。

本发明的有益效果是：1、采用粗调和细调相结合的方式进行频率修正，不仅实现了较宽的修正范围，而且保证了足够高的精度，从而解决了温度对时钟计时误差的影响。2、环境温度测量值定时定量变化处理，有效防止了温度测量系统带来的暂时不可靠性。3、采用高速100M恒温晶体作为频率参考，对电能表输出的1HZ信号进行连续高频采样，再利用采样出来的时间长度与标称晶体的时间长度进行比较，计算出误差，然后根据细调原理校准晶体实际频率与标称频率的误差，从而进一步提高了时钟校准的精度。

附图说明

图1是本发明时钟系统的电路原理示意图。

图2是本发明温度-频率偏差的特性曲线。

具体实施方式

万年历时钟系统是通过1Hz秒基信号按照时间60进制计数累加的，所以时间计时的精准，走的快走的慢就与1Hz秒基信号的准确稳定直接相关。在电子系统中通常采取手表晶体为振荡器（32768Hz），然后通过32768次分频得到1Hz秒基信号，而在信号分频过程中由于采用高速半导体器件，几乎不会引入延时误差，所以最终日计时误差的来源主要取决于手表晶体振荡器振荡频率是否准确稳定。

对于晶体而言，其频率受温度影响是最明显的，并呈现出频率偏差与温度之间的二次函数关系。经过长期的晶体应用经验表明，晶体的这种频率偏差与温度关系与晶体本身的生产制造有直接关系，也就是说在生产的时候就既定了该批被生产出来的晶体温度频率偏差特性。所以，修正晶体频率的重点也就是测量并验证出晶体的温度频率偏差特性曲线。

如图1所示，本例中，时钟系统为现有技术，其中单片机采用美国美信半导体生产的TDK6542单片机，晶体采用精工生产的手表晶体（32768Hz，5ppm，ppm表示每百万单位，即parts per million），温度传感器采用飞利浦TCN75。具体校准步骤如下：

a、随机抽取一只电表，在没有任何修正措施的状况下，测得不同温度点的频率偏差值如下表所示：

T(℃)	-28.5	-23.6	-18.5	-13.4	-8.5	-3.3	1.5	6.3	11.2
										△f(ppm)	-94.4	-78.8	-63.9	-50.7	-39.1	-28.9	-20.3	-13.4	-7.9
T(℃)	15.9	21.5	26.2	31.3	36.7	41.2	46.4	51.4	56.5
										△f(ppm)	-3.9	-1.3	-0.67	-1.5	-5.5	-9.3	-15.8	-24.1	-33.9

然后通过数学软件Matlab对变量数据（温度，单位摄氏度）以及应变量数据（频率偏差，单位PPM，表示每百万单位）进行分析处理，得出函数曲线（如图2所示）以及函数的二次项、一次项及常数项，从而得到温度-频率偏差的二次三项式曲线方程；本例中，该方程为y=-22.143+1.646x-0.033x²，式中x为温度，y为频率偏差。

b、确定粗调的最小修正值，本例该值取3.815PPM；利用温度传感器测量当前表内温度，作为变量，并采用步骤a得到的方程计算出当前温度下的频率偏差作为补偿值，用该补偿值除以粗调最小修正值3.815，取整（商）作为粗调值C，取余（余数）作为细调值X。

c、若补偿值小于粗调最小修正值，则执行步骤e，否则执行步骤d；

d、由于粗调最小修正值的倒数N=262144，为晶体振荡器输出信号频率（32768）的8倍；同时，由于秒脉冲测试方法是：每2秒到5秒（时间取的过长，将会使得瞬时测量误差不稳定）测定一次误差；因此综合考虑以上两点，本例每4秒测定一次误差。具体粗调步骤为：对晶体振荡器输出信号进行2倍频，得到频率为65536Hz的信号Ft，内部脉冲计数器对Ft进行脉冲计数，当计满262144（4*65536）个脉冲时，将Ft增加或减少C个脉冲（脉宽时间为1/65536秒），实现粗调。其原理为：计满262144个脉冲时，所需时间为4秒，此时增加或减少脉冲个数，也就是说每4秒最小调整1/65536秒，即每秒最小调整量为1/262144秒，也就是3.815PPM；因此当计满262144个脉冲时，将Ft增加或减少C个脉冲，即可实现粗调。

e、芯片内置的晶体振荡器输出端配置有可控电容阵列，电容阵列等效于128个容值为0.1289PF的单位电容并联，充分利用晶体振荡器匹配电容对振荡器频率微小影响的关系，通过控制每一个单位电容是否并联来改变晶体振荡器的输出负载电容大小，进而达到调整晶体振荡器振荡频率的效果，实现细调。本例中，通过理论计算和多组实践数据验证得出电容阵列的最小修正频率为0.31PPM，即频率修正的最小误差为0.31PPM，也就是每增加或减少一个单位电容，对频率的影响为0.31PPM，因此，用细调值X除以电容阵列的最小修正频率，取整（商）即可得知需要控制几个单位电容并联，并控制任意这几个单位电容并联于晶体振荡器输出端，从而实现细调。

由于环境温度在一段时间内不会突然变化，校准过程中，每分钟测量一次环境温度，连续两次温度测量值变化量应小于一个定值，本例该定值为0.55摄氏度，这个定值是通过多次试验得出；理论上来讲，该值与系统的隔热装置有关，如外壳、密封情况等，通过此处理可以有效防止温度测量系统带来的暂时不可靠性。如果变化值大于该定值，则再进行一次测量，连续3次大于该值，变化量按照0.55摄氏度定值处理。

以天为单位考核日计时误差，当频率偏差为11.5741ppm时，计时误差为1秒每天。由于本例粗调的最大可修正频率范围为-398PPM~398PPM（考虑实际使用的晶体偏差范围并留有一定的设计余量而定，本例晶体在正常工作范围内的偏差为70PPM左右，并留有330PPM的设计余量），细调的最小修正频率为0.31PPM，因此，最大可以到达34.3秒每天的误差修正范围，并可精确修正到0.0268秒每天；此结果最终在智能仪表上通过时钟精度测量仪得到了验证。

为了让本方法良好的应用在批量智能仪表的生产上，需要保证结果的一致性，以及对器件的差异兼容性。前面已经论述过误差的主要来源，即：环境温度对晶体频率的影响的属性，也就是说一批制造工艺下的晶体，它的温度频率特性曲线是一致的，所以只要晶体生产工艺得到应有的保证，利用前述方法就能统一处理，修正环境温度引起的误差。然而，晶体与晶体之间在同一温度点，也多多少少存在一些与标称频率偏离的误差，所以必须预留校准参数。本实施例在生产线上，采用高速100M恒温晶体（标准晶体，不存在时间误差）作为频率参考，对电能表输出的1HZ信号进行连续高频采样，再利用采样出来的时间长度与标称晶体的时间长度进行比较，计算出误差，该误差精确到0.1PPM；前述误差计算原理可理解为：将高速100M恒温晶体输出的信号（每秒1*10⁸个脉冲，脉宽时间为1*10^-8）和电能表输出的1Hz信号进行同步，在电能表输出1Hz脉冲的时间内，计量100M恒温晶体输出的脉冲个数，并根据其脉宽时间（1*10^-8）计算出电能表输出1Hz脉冲的实际用时，将该实际用时与电能表输出1Hz脉冲的标称时间（1秒）进行比较，即可得到误差值。计算出的误差作为补偿的差值，再通过晶体匹配电容与频率的关系推导匹配电容阵列的排布，最后调整出准确的常温（23±2摄氏度）频率，其调整原理与细调相同。

量产后，随机抽取一块经本实施例方法校准后的电表，并采用时钟精度测量仪测得其计时误差数据如下表：

T(℃)	-39.1	-34	-28.8	-24	-18.8	-13.6	-8.8	-3.8	11.2
										△t(s/d)	0.013	-0.078	-0.054	0.013	-0.020	-0.080	-0.016	-0.072	0.014
T(℃)	16.0	31.2	37.7	41.5	46.5	51.6	55.8	61.6	66.6
										△t(s/d)	0.007	0.014	0.024	0.005	-0.088	-0.028	-0.086	0.088	0.106

Claims (6)

1.一种智能电表时钟校准方法，其特征在于步骤如下：

a、随机抽取一只电表，测得不同温度点的频率偏差值，并模拟出温度-频率偏差的二次三项式曲线方程；

b、确定粗调的最小修正值，利用步骤 a 得到的方程计算出当前温度下的频率偏差作为补偿值，用该补偿值除以粗调最小修正值，取整作为粗调值 C，取余作为细调值 X；其中粗调最小修正值的倒数 N 为晶体振荡器输出信号频率的 M 倍，M 或 1/M取整；

c、若补偿值小于粗调最小修正值，则执行步骤g，否则执行步骤 d ；

d、若 M 为 2、3、4 或 5，执行步骤 e，否则执行步骤 f ；

e、内部脉冲计数器对晶体振荡器输出信号进行脉冲计数，当计满 N 个脉冲时，将晶体振荡器输出信号增加或减少 C 个脉冲，实现粗调，然后执行步骤 g ；

f、对晶体振荡器输出信号进行倍频或分频得到信号 Ft，使得粗调最小修正值的倒数 N为信号Ft频率的M倍，且M取2、3、4或5 ；内部脉冲计数器对Ft进行脉冲计数，当计满N个脉冲时，将Ft 增加或减少 C个脉冲，实现粗调 ；

g、晶体振荡器输出端配置有可控电容阵列，其最小修正频率为 0.31PPM，然后用细调值 X 除以最小修正频率，取整作为需并联电容阵列中单位电容的个数 R，并控制任意R个单位电容并联于晶体振荡器输出端，实现细调。

2.根据权利要求1所述的智能电表时钟校准方法，其特征在于：完成细调后，采用100M恒温标准晶体作为频率参考，对电表输出的 1Hz 信号进行连续采样，再利用采样出来的时间长度与标称晶体的时间长度进行比较，得到误差，并精确到 0.1PPM ；将计算得到的误差作为补偿的差值，通过晶体匹配电容与频率的关系得到匹配电容阵列的排布，最后调整出准确的常温频率。

3.根据权利要求1或2所述的智能电表时钟校准方法，其特征在于：校准过程中，每分钟测量一次环境温度，连续两次温度测量值的变化量小于 0.55 摄氏度。

4.根据权利要求 1 或 2 所述的智能电表时钟校准方法，其特征在于：所述粗调最小修正值为 3.815PPM，粗调最小修正值的倒数 N 为 262144。

5.根据权利要求 4 所述的智能电表时钟校准方法，其特征在于：所述晶体振荡器输出信号的频率为32768Hz ；粗调时，对晶体振荡器输出的信号进行2倍频，得到频率为65536Hz的信号Ft，内部脉冲计数器对Ft进行脉冲计数，当计满262144个脉冲时，将Ft增加或减少C 个脉冲。

6.根据权利要求 1 或 2 所述的智能电表时钟校准方法，其特征在于：所述电容阵列等效于 128个容值为 0.1289PF的单位电容并联。