CN103427793B - 基于温度补偿的对时守时系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为智能变电站智能设备提供了一种基于温度补偿的对时守时系统及方法，首先通过外部秒脉冲完成晶振的频率测量，极大提高了晶振的频率测量精；然后通过晶振周围的测温芯片，实时完成晶振环境的温度测量；第三通过晶振的温频特性方程并计入实测误差，完成晶振温频系数的计算；第四通过温频系数实时计算秒脉冲宽度；第五在外部秒脉冲正常的情况下，直接将外部秒脉冲输出；第六在外部秒脉冲消失的情况下，将计算得到秒脉冲作为输出。本发明在保持对时守时精度的情况下，可有效降低晶振的技术指标要求，减少设计成本，提高方案的可靠性及环境适用性。

Description

基于温度补偿的对时守时系统及方法

技术领域

本发明设计基于温度补偿的对时守时系统及方法，属于智能变电站自动化技术领域。

背景技术

随着智能变电站建设的深入，智能二次设备的各项指标均大幅提升。为获得高精度的过程层采样数据，对过程层设备的时钟精度提出了新的要求。特别是对合并单元提出了采样的同步误差应不大于±1μs，在外部同步信号消失后，至少能在10min内满足4μs同步精度要求。这就要求二次智能设备的时钟误差在外部时钟正常时必须小于1μs，且在外部时钟丢失时，能在10min的时间内保持4μs的精度。这些指标对智能装置的时钟模块提出了很高的要求，要满足这些指标，必须开发高精度的时钟模块。很多文献在开发高精度时钟方案中采用高精度恒温晶振,以降低因晶振频率不稳造成的误差。恒温晶振是通过保持精密恒温箱的温度恒定在远高于环境温度的高温状态下，使晶振的工作温度恒定，实现频率的稳定性。晶振在高温下的老化速度远高于低温，恒温晶振的老化将导致设备寿命大大降低，严重时可能导致频率漂移造成整个时钟系统紊乱。另外恒温晶振的体积和成本也高于温补晶振。故用温补晶振开发时钟模块是设计的目标。

晶振固有频率不仅与它的形状有关，也与环境参数有关，如温度、湿度、压力、加速度、振动、磁场、电场、质量负载和辐射等，这些参数的变化都将不同程度地引起晶振频率的漂移。其中压力、加速度、振动、磁场、电场、质量负载和辐射在变电站智能二次设备的设计中均有整体方案，可使其处于相对稳定环境内,另外通过密封的封装可极大降低湿度对晶振频率的影响，故这些因素可忽略。对晶振频率稳定性影响最大的是温度，因此在设计时钟模块的工作中，消除晶振频率受温度变化的影响成为工作的关键。

使用温补晶振设计二次设备时钟模块需解决以下两个问题：

（1）外部时钟正常时，如何消除晶振温度变化的影响；

（2）外部时钟异常时，如何降低晶振温度变化对时钟模块守时精度的影响。

发明内容

本发明的目的在于提出一种低成本高精度的对时守时系统及方法，可在保持守时精度的情况下，降低对晶振的技术指标要求。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

基于温度补偿的对时守时系统，包括以下功能模块：

晶振模块，所述晶振模块通过FPGA倍频后生成100MHz的频率供时钟输入模块和时钟输出模块作为基准频率使用；

时钟输入模块，所述时钟输入模块将外部输入的时钟信号转换成秒脉冲和世纪秒，所述时钟输入模块用100MHz的频率对外部秒脉冲的宽度计数，每秒生成一个计数结果，并传递给频率测量模块，所述时钟输入模块将解析的外部秒脉冲和世纪秒传递给时钟输出模块；

频率测量模块，接收时钟输入模块输出的秒脉冲宽度计数结果，计算频率，并将频率计算结果传递给温度系数计算模块；

温度测量模块，所述温度测量模块采用高速温度传感器，每1秒转换一次温度值，并将温度值实时输出给温度系数计算模块和秒脉冲宽度计算模块；

温度系数计算模块，所述温度系数计算模块用以生成温度系数序列，并对产生的温度系数序列计算平均值，将最新的计算结果传递给秒脉冲宽度计算模块；

秒脉冲宽度计算模块，根据所述温度测量模块测量的温度和温度系数模块计算的温度系数，依据晶振的温频特性方程计算晶振频率，再根据晶振频率得到秒脉冲宽度计数值，进而输出秒脉冲，并传递给时钟输出模块；

时钟输出模块，所述时钟输出模块用以输出世纪秒、秒脉冲，并计算测量频率和计算频率之间的误差输出至温度系数计算模块；所述测量频率和计算频率之间的误差是指时钟输出模块测量每个外部秒脉冲的宽度，并将该宽度和秒脉冲宽度计算得到的秒脉冲宽度进行比较，产生的差值转化为频率差值。

前述的晶振模块采用温补晶振。

前述当外部时钟信号正常时，所述时钟输出模块将时钟输入模块解析的外部秒脉冲和世纪秒输出，并将计算的频率差值输出至温度系数计算模块，用以在下一个秒脉冲中进行温度系数补偿；当外部时钟信号消失时，所述时钟输入模块停止输出，所述温度系数计算模块停止计算，并保持计算结果，所述时钟输出模块将秒脉冲宽度计算模块计算的秒脉冲输出，并在秒脉冲输出时将本地世纪秒的值依次递加。

基于温度补偿的对时守时系统的对时守时方法，包括以下步骤：

1）选取晶振，通过FPGA倍频后生成100MHz的频率作为基准频率使用；

2）将外部输入的时钟信号经解析后转换成秒脉冲和世纪秒，并以100MHz的频率对外部秒脉冲的宽度计数，每秒生成一个计数结果；

3）根据所述步骤2）输出的秒脉冲宽度计数结果，计算晶振频率；

4）令高速温度传感器紧贴所选晶振，实时测量晶振周围温度；

5）根据所选晶振的温频特性方程，利用所述步骤4）所测得的温度及所述步骤3）计算的晶振频率，计算晶振的温度系数；

6）根据所选晶振的温频特性方程，利用所述步骤4）测得的温度及所述步骤5）计算的温度系数，计算得到晶振的频率，并由此频率得到秒脉冲宽度计数值，输出秒脉冲；

7）在外部时钟信号正常的情况下，将所述步骤2）解析得到的外部时钟源的秒脉冲直接输出，并测量自己输出的秒脉冲和外部秒脉冲之间的差值，将其转化为频率误差后加入到温度系数的计算中，在下一个秒脉冲中进行温度系数补偿；在外部时钟信号消失的情况下，将所述步骤6）计算得到的秒脉冲作为输出，并在秒脉冲输出时将本地世纪秒的值依次递加，确保整个对时守时系统的正常运转，通过综合考虑外部时钟正常和异常两种情况，确保了二次智能设备对时和守时的精确。

前述的步骤3）中，晶振频率的计算公式为，

其中，f为晶振频率值，N_i，i＝1,2,3…n为第i次秒脉冲宽度计数值，n为计数次数。

前述的步骤5）中，晶振的温频特性用如下公式表示：

$\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}=\frac{f-f_0}{f_0}=a_0(T-T_0)+b_0{(T-T_0)}^2+c_0{(T-T_0)}^3$

其中：T为测量温度,f为对应温度T时的晶振频率,T₀为参考温度,f₀表示参考温度T₀时的晶振频率，a₀、b₀、c₀分别表示一级、二级和三级频率温度系数。

前述的步骤5）中，温度系数的计算公式为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{f}_1\\ \mathrm{\Δ}{f}_2\\ \mathrm{\Δ}{f}_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{\Δ}{T}_1{f}_0& \mathrm{\Δ}{T_1}^2{f}_0& \mathrm{\Δ}{T_1}^3{f}_0\\ \mathrm{\Δ}{T}_2{f}_0& \mathrm{\Δ}{T_2}^2{f}_0& \mathrm{\Δ}{T_2}^3{f}_0\\ \mathrm{\Δ}{T}_3{f}_0& \mathrm{\Δ}{T_3}^2{f}_0& \mathrm{\Δ}{T_3}^3{f}_0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ b_0\\ c_0\end{array}\right]-\mathrm{\ΔE}$

其中，Δf_i,i＝1,2,3为测量温度为T_i时计算的频率f_i和参考温度T₀时的晶振频率f₀的差，ΔT_i为测量温度T_i和参考温度T₀的差，ΔE为频率误差。

本发明的有益效果是：

本发明利用外部时钟的秒脉冲宽度消除晶振频率不稳的影响，并实时计算晶振的温度系数，在外部时钟消失后通过使用该温度补偿系数重新计算晶振的频率，从而降低温度对时钟模块精度的影响；本发明在保持守时精度的情况下，降低对晶振的技术指标要求，从而提高对时守时系统的环境适用能力，增强二次智能设备的稳定性及可靠性。

附图说明

图1本发明基于温度补偿的对时守时系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式详细说明本发明。

本发明的系统包括如下几个模块：

（1）晶振模块，晶振模块采用25MHz偏差值为30ppm的温补晶振,通过FPGA倍频后生成100MHz的频率供时钟输入模块、时钟输出模块作为基准频率使用；

（2）时钟输入模块，时钟输入模块可解析多种对时输入信号，如IRIG-B码、IEC61588、秒脉冲、分脉冲等，其中IRIG-B码是靠码型来解析秒脉冲及世纪秒的，其脉冲宽度代表0、1及秒脉冲起始点，IECC61588是通过报文交换及计算，获得秒脉冲及世纪秒的。时钟输入模块将外部输入的时钟信号（包括IRIG-B码和IEC61588等）转换成秒脉冲和世纪秒供其他模块使用。在外部时钟源正常时，该模块用100MHz的频率对外部秒脉冲的宽度计数，每秒生成一个计数结果，并将该结果传递给频率测量模块，另外将解析的外部秒脉冲和世纪秒传递给时钟输出模块；当外部时钟异常时，停止输出结果，并通知其他模块。

（3）频率测量模块，用时钟输入模块输出的秒脉冲宽度计数结果计算频率,并将频率计算结果传递给温度系数计算模块；

（4）温度测量模块,本模块采用高速温度传感器，每1秒转换一次温度值，温度误差小于0.01℃，其输出的温度值实时输出给温度系数计算模块及秒脉冲宽度计算模块；

（5）温度系数计算模块，本模块用以生成温度系数序列，并对产生的温度系数序列计算平均值，并将最新的计算结果传递给秒脉冲宽度计算模块。在外部时钟正常时，温度系数计算模块正常计算温度系数；当外部时钟消失时，温度计算系数模块停止计算，并保持计算结果。

（6）秒脉冲宽度计算模块，根据计算得到的晶振频率，由频率可计算得到按此频率输出秒脉冲的宽度计数值，并将该值实时传递给时钟输出模块；

（7）时钟输出模块，时钟输出模块需要输出世纪秒、秒脉冲、测量频率和计算频率之间的误差。在外部时钟信号正常时，时钟输出模块将时钟输入模块解析的世纪秒及秒脉冲实时输出，同时测量自己输出的秒脉冲和外部秒脉冲之间的差值，产生的差值转化为频率差值输出至温度系数计算模块，作为温度系数计算的参考项，在下一个秒脉冲中适当补偿，用以提高温度系数的计算精度，使系统内部秒脉冲和外部秒脉冲保持一致；在外部时钟消失时，直接利用秒脉冲宽度计算模块的输出结果，输出秒脉冲，并在秒脉冲输出时将本地世纪秒的值依次递加，确保整个时钟模块正常运转。

本发明基于温度补偿的对时守时方法，包括以下步骤：

1）选取晶振，本发明选取温补晶振，通过FPGA倍频后生成100MHz的频率作为基准频率使用；

晶振的温频特性用如下公式表示：

$\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}=\frac{f-f_0}{f_0}=a_0(T-T_0)+b_0{(T-T_0)}^2+c_0{(T-T_0)}^3---\left(1\right)$

其中：T为测量温度,f为对应温度T时的晶振频率,T₀为参考温度,f₀表示参考温度T₀时的晶振频率，a₀、b₀、c₀分别表示一级、二级和三级频率温度系数。

2）将外部输入的时钟信号经解析后转换成秒脉冲和世纪秒，并以100MHz的频率对外部秒脉冲的宽度计数，每秒生成一个计数结果；

3）根据所述步骤2）输出的秒脉冲宽度计数结果，计算晶振频率；

具体为，在两个外部秒脉冲之间，通过FPGA记录晶振的振动次数，从而获得晶振的本次频率，通过计算多次结果的平均值最终确定晶振的某温度点的频率，该方法极大的提高了晶振频率测量精度。

频率计算公式如下：

$f=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{N}_i---\left(2\right)$

式中：f为频率值（单位为赫兹），N_i，i＝1,2,3…n为第i次秒脉冲宽度计数值，n为计数次数,即频率值为多次秒脉冲宽度计数值的平均值。此处采用平均值是为消除偶然误差，提高计算结果的可信度。因频率值和温度相关，计算平均值的样本数目不能太多，考虑温度不能突变并结合温度测量模块温度输出频次，取4秒的样本值为宜。在这4个样本中，去掉最大值和最小值，取中间两个样本的平均值，当样本值不足4个时，停止计算新的频率，输出结果保持上一次的计算值。

4）令高速温度传感器紧贴所选晶振，每秒钟转换一次温度，实时测量晶振周围温度，为实时计算晶振的温度补偿系数提供温度数据；

5）根据所选晶振的温频特性方程，利用所述步骤4）所测得的温度及所述步骤3）计算的晶振频率，计算晶振的温度系数；

从式(1)可知，温度系数按照一次系数、二次系数、三次系数至少需要3个方程才能计算出系数值。因步骤3）中频率样本每4秒产生一次，故需12秒计算一次温度系数。由式(1)可得

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{f}_1\\ \mathrm{\Δ}{f}_2\\ \mathrm{\Δ}{f}_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{\Δ}{T}_1{f}_0& \mathrm{\Δ}{T_1}^2{f}_0& \mathrm{\Δ}{T_1}^3{f}_0\\ \mathrm{\Δ}{T}_2{f}_0& \mathrm{\Δ}{T_2}^2{f}_0& \mathrm{\Δ}{T_2}^3{f}_0\\ \mathrm{\Δ}{T}_3{f}_0& \mathrm{\Δ}{T_3}^2{f}_0& \mathrm{\Δ}{T_3}^3{f}_0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ b_0\\ c_0\end{array}\right]-\mathrm{\ΔE}---\left(3\right)$

式中：Δf_i,i＝1,2,3为测量温度为T_i时频率计算模块计算的频率f_i和参考温度T₀时的晶振频率f₀的差，ΔT_i为测量温度T_i和参考温度T₀的差，ΔE为频率误差。

6）根据所选晶振的温频特性方程，利用所述步骤4）测得的温度及所述步骤5）计算的温度系数，计算得到晶振的频率，并由此频率得到秒脉冲宽度计数值，输出秒脉冲；

由式(1)可得到,

f＝(1+a₀(T-T₀)+b₀(T-T₀)²+c₀(T-T₀)³)f₀(4)

将步骤4）测得的温度及步骤5）计算的温度系数带入，即可得到所测温度下的晶振的实时振动频率，FPGA根据此频率进行相应的计数后，输出秒脉冲。例如，如果计算在某温度情况下，晶振的实时振动频率为90M，则通过FPGA计数90M次时，输出一个秒脉冲。

7）在外部时钟信号正常的情况下，将所述步骤2）解析得到的外部时钟源的秒脉冲直接输出，并测量自己输出的秒脉冲和外部秒脉冲之间的差值，将其转化为频率误差ΔE后加入到温度系数的计算中，在下一个秒脉冲中进行温度系数补偿；在外部时钟信号消失的情况下，将所述步骤6）计算得到的秒脉冲作为输出，并在秒脉冲输出时将本地世纪秒的值依次递加，以此确保整个对时守时系统的正常运转，通过综合考虑外部时钟正常和异常两种情况，确保了二次智能设备对时和守时的精确。

Claims (6)

1.基于温度补偿的对时守时系统，其特征在于，包括以下功能模块：

晶振模块，所述晶振模块通过FPGA倍频后生成100MHz的频率供时钟输入模块和时钟输出模块作为基准频率使用；所述晶振模块采用温补晶振；

时钟输入模块，所述时钟输入模块将外部输入的时钟信号转换成秒脉冲和世纪秒，所述时钟输入模块用100MHz的频率对外部秒脉冲的宽度计数，每秒生成一个计数结果，并传递给频率测量模块，所述时钟输入模块将解析的外部秒脉冲和世纪秒传递给时钟输出模块；

频率测量模块，接收时钟输入模块输出的秒脉冲宽度计数结果，计算频率，并将频率计算结果传递给温度系数计算模块；

温度测量模块，所述温度测量模块采用高速温度传感器，每1秒转换一次温度值，并将温度值实时输出给温度系数计算模块和秒脉冲宽度计算模块；

温度系数计算模块，所述温度系数计算模块用以生成温度系数序列，并对产生的温度系数序列计算平均值，将最新的计算结果传递给秒脉冲宽度计算模块；

秒脉冲宽度计算模块，根据所述温度测量模块测量的温度和温度系数模块计算的温度系数，依据晶振的温频特性方程计算晶振频率，再根据晶振频率得到秒脉冲宽度计数值，进而输出秒脉冲，并传递给时钟输出模块；

时钟输出模块，所述时钟输出模块用以输出世纪秒、秒脉冲，并计算测量频率和计算频率之间的误差输出至温度系数计算模块；所述测量频率和计算频率之间的误差是指时钟输出模块测量每个外部秒脉冲的宽度，并将该宽度和秒脉冲宽度计算模块得到的秒脉冲宽度进行比较，产生的差值转化为频率差值。

2.根据权利要求1所述的基于温度补偿的对时守时系统，其特征在于，当外部时钟信号正常时，所述时钟输出模块将时钟输入模块解析的外部秒脉冲和世纪秒输出，并将计算的频率差值输出至温度系数计算模块，用以在下一个秒脉冲中进行温度系数补偿；当外部时钟信号消失时，所述时钟输入模块停止输出，所述温度系数计算模块停止计算，并保持计算结果，所述时钟输出模块将秒脉冲宽度计算模块计算的秒脉冲输出，并在秒脉冲输出时将本地世纪秒的值依次递加。

3.基于权利要求1或2所述的温度补偿的对时守时系统的对时守时方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选取晶振，通过FPGA倍频后生成100MHz的频率作为基准频率使用；

2)将外部输入的时钟信号经解析后转换成秒脉冲和世纪秒，并以100MHz的频率对外部秒脉冲的宽度计数，每秒生成一个计数结果；

3)根据所述步骤2)输出的秒脉冲宽度计数结果，计算晶振频率；

4)令高速温度传感器紧贴所选晶振，实时测量晶振周围温度；

5)根据所选晶振的温频特性方程，利用所述步骤4)所测得的温度及所述步骤3)计算的晶振频率，计算晶振的温度系数；

6)根据所选晶振的温频特性方程，利用所述步骤4)测得的温度及所述步骤5)计算的温度系数，计算得到晶振的频率，并由此频率得到秒脉冲宽度计数值，输出秒脉冲；

7)在外部时钟信号正常的情况下，将所述步骤2)解析得到的外部时钟源的秒脉冲直接输出，并测量自己输出的秒脉冲和外部秒脉冲之间的差值，将其转化为频率误差后加入到温度系数的计算中，在下一个秒脉冲中进行温度系数补偿；在外部时钟信号异常的情况下，将所述步骤6)计算得到的秒脉冲作为输出，并在秒脉冲输出时将本地世纪秒的值依次递加，以此确保整个对时守时系统的正常运转，通过综合考虑外部时钟正常和异常两种情况，确保了二次智能设备对时和守时的精确。

4.根据权利要求3所述的对时守时方法，其特征在于，所述步骤3)中，晶振频率的计算公式为， $f=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{N}_i$

其中，f为晶振频率值，N_i，i＝1,2,3…n为第i次秒脉冲宽度计数值，n为计数次数。

5.根据权利要求3所述的对时守时方法，其特征在于，所述步骤5)中，晶振的温频特性用如下公式表示：

$\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}=\frac{f-f_0}{f_0}=a_0(T-T_0)+b_0{(T-T_0)}^2+c_0{(T-T_0)}^3$

其中：T为测量温度,f为对应温度T时的晶振频率,T₀为参考温度,f₀表示参考温度T₀时的晶振频率，Δf为测量温度下的晶振频率与参考温度下的晶振频率的差值，a₀、b₀、c₀分别表示一级、二级和三级频率温度系数。

6.根据权利要求5所述的对时守时方法，其特征在于，所述步骤5)中，温度系数的计算公式为： $\left[\begin{array}{c}{\mathrm{f\Δ}}_1\\ {\mathrm{\Δf}}_2\\ \mathrm{\Δ}{f}_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\ΔT}}_1{f}_0& {{\mathrm{\ΔT}}_1}^2{f}_0& {{\mathrm{\ΔT}}_1}^3{f}_0\\ \mathrm{\Δ}{T}_2{f}_0& {{\mathrm{\ΔT}}_2}^2{f}_0& {{\mathrm{\ΔT}}_2}^3{f}_0\\ {\mathrm{\ΔT}}_3{f}_0& {{\mathrm{\ΔT}}_3}^2{f}_0& {{\mathrm{\ΔT}}_3}^3{f}_0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ b_0\\ c_0\end{array}\right]-\mathrm{\ΔE}$

其中，Δf_i,i＝1,2,3为测量温度为T_i时频率计算模块计算的频率f_i和参考温度T₀时的晶振频率f₀的差，ΔT_i为测量温度T_i和参考温度T₀的差，ΔE为频率误差。