CN105759089B - 温度补偿实时时钟 - Google Patents

Abstract

本发明描述了温度补偿实时时钟系统和方法，所述方法可以包括：利用温度传感器来测量温度；由振荡器来检测温度依赖频率；输入所述温度并且利用无限脉冲响应滤波器来确定所述振荡器的温度估计值；以及为所述振荡器确定补偿因数。

Description

温度补偿实时时钟

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2014年10月27日提交的美国临时专利申请No.62/069,170的所有共同主题的优先权的权益；通过引用将该美国临时专利申请的内容并入本文。

技术领域

本公开内容涉及实时时钟，更具体而言，涉及具有晶体振荡器温度补偿的实时时钟。

背景技术

电力网的精密度和复杂性已经成长到包括包含定时功能以用于计费度量的电表。定时功能通过允许增加管理成本的能力来为消费者和供应商提供更高的精度。例如，定时功能在能量的费用可以根据使用能量的时刻而改变的“使用时间”计量方面是有用的。

采用使用时间计量的计量表采用通常基于精密定时晶体的实时时钟。在一些应用中，精密定时晶体是音叉式石英晶体振荡器。该晶体振荡器的频率是温度的函数。温度传感器有时被用于确定校正因数，以使实时时钟保持准确。

然而，来自这些传感器的温度读数不会直接测量晶体振荡器的温度，并且基于这些测量值的校正因数可能是不准确的并且可能引入补偿误差。在公用计量表中存在针对实时时钟的准确度的工业标准。具体而言，实时时钟准确度的ANSI C12.1-2001要求为：在30℃到70℃的温度范围内每星期2分钟或200ppm。一些用途要求更高的准确度，例如在30℃和40℃的温度下每个月1分钟或23ppm。

由于时钟准确度和随温度的变化的工业标准变得越来越严格，实时时钟准确度变为电表实时时钟的更加重要的竞争特征和市场区分点。试图在识别准确的校正因数方面提供更高的准确度的先前的解决方案包括在将温度测量值用于补偿实时时钟之前向温度测量值添加时间延迟。与无补偿的温度测量值相比，添加时间延迟可以提供更加准确的校正因数；然而，时间延迟是不完整的解决方案，因为当环境温度漂移快速时，时间延迟引入了补偿误差。

长久以来一直在寻求解决方案，但是先前的发展并没有教导或建议任何完整的解决方案，并且这些问题的解决方案长久以来一直不为本领域技术人员所理解。因此，对于可以提供实时时钟的准确温度校正因数的设备和方法仍存在相当大的需求。

发明内容

公开了提供显著增加的准确度的温度补偿实时时钟以及制造、操作和实施的方法。温度补偿实时时钟可以包括：用温度传感器测量温度；由振荡器检测温度依赖频率；输入温度并且用无限脉冲响应滤波器来确定振荡器的温度估计值；以及确定振荡器的补偿因数。

公开了用无限脉冲响应滤波器来确定振荡器的温度估计值包括：通过执行作为温度的函数的温度估计值的传递函数、并且将振荡器当作第一热梯度上的第一热质量并将温度传感器当作第二热梯度上的第二热质量，利用无限脉冲响应滤波器来确定振荡器的温度估计值。

公开了检测温度依赖频率可以包括：利用晶体振荡器、音叉式石英晶体振荡器、或在32KHz的范围内进行操作的振荡器来检测温度依赖频率。

公开了确定振荡器的温度估计值包括：假设第一热梯度和第一热质量暴露于相同的环境温度；假设第二热梯度和第二热质量暴露于相同的环境温度；或者它们的组合。

公开了确定振荡器的温度估计值包括：假设第一热梯度与第二热梯度不相同；假设第一热质量与第二热质量不相同；或者它们的组合。

公开了测量温度是用温度传感器的离散样本来测量，并且公开了确定温度估计值是基于温度传感器的离散样本。

还公开了温度补偿实时时钟的操作和实施的方法可以包括：基于补偿因数来调整实时时钟，基于补偿因数来调整振荡器的负载电容，或者它们的组合。公开了调整实时时钟可以包括：调整实时时钟内的寄存器，或者调整由实时时钟所记录的频率。

公开了用振荡器的数字逻辑单元来确定补偿因数可以包括：根据使振荡器的频率与振荡器的温度相互关联的表、根据将补偿因数描述为振荡器的温度的函数的等式、或者它们的组合来确定补偿因数。

还公开了温度补偿实时时钟的制造、操作、和实施的方法可以包括：将温度传感器、实时时钟、数字逻辑单元、无限脉冲响应滤波器包含在片上系统内；以及将振荡器耦合到片上系统，所述振荡器包含在单独的真空密封的封装内。

还公开了温度补偿实时时钟的制造、操作、和实施的方法可以包括：将包含实时时钟的片上系统耦合到远程传感器以用于测量电力使用并且基于温度补偿实时时钟来提供电力使用的时刻。公开了远程传感器可以是变流器、分流器、罗果夫斯基线圈、或它们的组合。

其它预期的实施例可以包括除上文中所提到的目的、特征、方面、以及优点之外或者替换这些目的、特征、方面、以及优点的目的、特征、方面、以及优点。根据以下具体实施方式并结合附图，实施例的这些目的、特征、方面、以及优点将变得更加显而易见。

附图说明

在附图的图中示出了温度补偿实时时钟，这些图是示例性的而非限制性的，其中，相似的附图标记旨在指代相似的部件，并且在附图中：

图1是温度补偿实时时钟的实施例的方块图。

图2是图1的温度传感器的热模型。

图3是图1的晶体振荡器的热模型。

图4是图1的无限脉冲响应滤波器的示意图。

图5是图1的温度补偿部件的方块图。

图6是图1的温度补偿实时时钟的温度图表。

具体实施方式

在以下描述中，参考形成本发明的一部分并且通过说明的方式来示出的附图、以及可以实践温度补偿实时时钟的实施例。要理解，可以在不脱离温度补偿实时时钟的范围的情况下利用其它实施例并且做出结构改变。

以充分的细节描述了温度补偿实时时钟以使本领域技术人员能够制造并使用温度补偿实时时钟，并且提供了许多具体细节以给出对温度补偿实时时钟的透彻理解；然而，显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践温度补偿实时时钟。

为了避免使温度补偿实时时钟难以理解，并未详细公开一些公知的系统构造。同样，显示系统的实施例的图是半图解的并且没有按比例绘制，特别是，在附图中，一些维度是为了呈现清楚并且在附图中被显示为放大了很多。

现在参考图1，其中示出了温度补偿实时时钟100的实施例的方块图。温度补偿实时时钟100被示出为具有耦合到输电线路104的片上系统(SOC 102)。SOC 102还可以耦合到脉冲变压器106并且耦合到远程IC 108，以用于将远程传感器110与监控输电线路104的SOC102隔离。此外，SOC 102包括与其耦合的晶体振荡器112。

SOC 102可以是包含微控制器核114、计算机引擎(CE 116)、以及远程接口118的单相电表。远程接口118可以将远程传感器110通过远程IC 108耦合到SOC 102。

SOC 102还可以包括模数转换器(ADC 120)，例如delta-sigma ADC，以用于测量电流通道和电压通道。CE 116可以是定点计算引擎并且可以处理ADC 120样本。

CE 116的代码存在于CE存储器122中并且可以与微控制器核114共享。微控制器核114被进一步描绘为具有专用的微控制器存储器123。

ADC 120可以被配置为监控环境信号，所述环境信号包括磁场、或由附近的电力线路或输电线路104所感生的变化的AC场。远程接口118可以支持被分派为测量线路电压、线路电流、和中性线电流、以及感兴趣的任何其它模拟信号的通道。可以预期的是，远程接口118可以是自成体系的并且可以提供固有隔离，以保护SOC 102使其免受输电线路104的电势。可以经由远程接口118连接到SOC 102的远程传感器110可以包括变流器、分流器、或罗果夫斯基线圈。

SOC 102的CE 116可以用于处理来自远程接口118的计量样本并且对例如有功能量、无功能量、以及四象限计量的伏安时的测量值进行计算。来自CE 116的测量值可以被微控制器核114存取、被进一步处理并且被输出到外围设备124，所述外围设备124可以由微控制器核114使用并且通过设备接口126与SOC 102耦合。通过设备接口126耦合到SOC 102的外围设备124可以包括串行存储器设备和复杂显示子系统。

SOC 102还可以包括实时时钟(RTC 128)，以记录用于多费率应用的使用时间计量信息。RTC 128可以为测量值或包括干预事件(tamper event)的其它事件提供时间戳。RTC128可以使用耦合到SOC 102的晶体振荡器112作为频率参考。晶体振荡器112可以提供温度依赖频率。

晶体振荡器112可以是例如音叉式晶体振荡器112。晶体振荡器112通常被包含在SOC 102外部的真空密封的封装内。由晶体振荡器112向SOC 102供应的频率可以利用锁相环130来进行倍增，以提供用于CE 116和微控制器114的时钟以及SOC 102所需的其它时钟。

SOC 102还可以包括温度补偿部件。温度补偿部件可以包括温度传感器132，所述温度传感器132允许在温度范围内保证与准确度标准一致的温度校正机制。在对温度补偿实时时钟的当前描述中实施的温度补偿部件还可以包括无限脉冲响应滤波器134。如在本文中所使用的，无限脉冲响应滤波器134被限定为包括反馈的脉冲响应滤波器。

如下文中进一步讨论的，无限脉冲响应滤波器134可以用于：基于来自温度传感器132的输入和温度传感器132与晶体振荡器112的热模型来估计晶体振荡器112的实际温度。可以基于无限脉冲响应滤波器134的估计值来调整RTC 128，并且通过设备接口126来输出时刻。

无限脉冲响应滤波器134被描绘为在数字逻辑单元中实施的独立功能块；然而，可以预期的是，无限脉冲响应滤波器134可以是例如在微控制器核114上运行的软件或固件。可以预期的是，无限脉冲响应滤波器134是在数字逻辑单元中实施的，无论是作为独立的功能块，还是与诸如微控制器核114等处理器的数字逻辑单元中的软件或固件一起实施。

在温度补偿实时时钟100的当前实施例中，由于晶体振荡器112在真空密封封装内的隔离，温度传感器132对于环境温度比晶体振荡器112反应灵敏得多。已经发现的是，无限脉冲响应滤波器134可以被实施为：基于温度传感器132的测量值来提供晶体振荡器112的实际温度的极其准确的模型。然后可以在没有调整并补偿误差的情况下调整或补偿RTC128，以允许温度补偿实时时钟100满足严格的政府规定并且在高度竞争的市场中提供更高的准确度。

现在参考图2，其中示出了图1的温度传感器132的热模型。热模型可以包括热梯度模型202和耦合到热梯度202的一端的热质量模型204。

温度传感器132的热模型在热梯度模型202的与热质量模型204相对的一端被示为具有环境温度T_A。温度传感器132的热模型在热梯度模型202的靠近热质量模型204的另一端被进一步示为具有传感器温度T_S。

热梯度模型202可以使用由等式1给出的热传导的傅里叶定律的一维形式来描述：

等式1

此处，q为局部热流密度，其等于每单位面积的热量，并且它是向量。K为材料的导热率。dT/dx为流动方向上的热梯度。热质量模型204可以通过由等式2给出的假设均匀组成的等式来近似：

等式2

此处，m为主体的质量，并且C_p为在相关温度范围内进行平均的材料的等压比热容。对于由许多不同材料组成的主体，不同部件的热质量可以加在一起。通过热梯度模型202和热质量模型204的稳态热传递可以由等式3来描述：

等式3

等式3可以被重写为：

等式4

由此得到的一阶常微分方程为：

等式5

此处，α表示热扩散率除以热量必须扩散的距离。热扩散率是导热率除以质量和比热容量。可以预期的是，不仅是在热质量方面并且还在导热率和材料厚度方面，α可以表示由实际包含在真实系统中的各种不同材料所得到的复合值。被特意重写以描述温度传感器132的等式5为：

等式6

现在参考图3，其中示出了图1的晶体振荡器112的热模型。热模型可以包括热梯度模型302和耦合到热梯度模型302的一端的热质量模型304。

晶体振荡器112的热模型在热梯度模型302的与热质量模型304相对的一端被示为具有环境温度T_A。晶体振荡器112的热模型在热梯度模型302的靠近热质量模型304的另一端被进一步示为具有传感器温度T_X。

可以分别使用等式1和等式2来描述热梯度模型302和热质量模型304。等式1和等式2假设图1的温度传感器132的热梯度模型202和晶体振荡器112的热梯度模型302二者暴露于相同的环境温度T_A。由此得到的描述通过晶体振荡器112的热梯度模型302和热质量模型304的热传递的一阶常微分方程为：

等式7

尽管晶体振荡器112的热梯度模型302和热质量模型304、以及温度传感器132的热梯度模型202和热质量模型204被描述为仅将单个热质量和热梯度用于温度传感器132或晶体振荡器112的一阶常微分方程，但是可以预期的是，热模型可以包括具有独特属性的多个梯度和质量。还可以预期的是，热模型可以被描述为较高阶的微分方程。

已经发现，使用等式6和等式7来通过温度传感器132的热梯度模型202和晶体振荡器112的热梯度模型302对可能不同的导热率进行建模提供了对晶体振荡器112的实际温度的更加准确的估计值并且允许更加精确的补偿或调整。还已经发现，使用等式6和等式7来利用热质量模型204和热质量模型304对可能不同的热质量进行建模进一步提高了晶体振荡器112的温度估计值的准确度并且允许更精确的补偿或调整。

现在参考图4，其中示出了图1的无限脉冲响应滤波器134的示意图。可以通过确定作为芯片温度的函数的晶体温度的传递函数来设计无限脉冲响应滤波器134。

首先，通过使用拉普拉斯方法，针对晶体温度T_X求解了温度传感器132和晶体振荡器112的一阶常微分方程：

等式8

将输入的拉普拉斯变换映射到输出的拉普拉斯变换以用于将传感器温度转换成晶体温度的连续时间传递函数H(s)为：

等式9

可以使用z变换由连续时间传递函数得到离散时间传递函数，其为：

等式10

可以由离散时间传递函数得到差分方程：

等式11

无限脉冲响应滤波器134由等式11描述。等式11的延迟或(n-1)由延迟块z^-1示出。还示出了对温度传感器132和晶体振荡器112的热扩散率的操作。

无限脉冲响应滤波器134的输出是晶体振荡器112的估计温度T_E。已经发现，实施无限脉冲响应滤波器134提供了用于基于温度传感器132的传感器温度T_S来提供晶体振荡器112的估计温度T_E的卓越的速度。

现在参考图5，其中示出了用于图1的实时时钟128的温度补偿部件502的方块图。温度补偿部件502可以包括温度传感器132、无限脉冲响应滤波器134、RTC 128、以及晶体振荡器112。

利用以32KHz进行操作的晶体振荡器112来示出温度补偿部件502的晶体振荡器112。可以基于使用无限脉冲响应滤波器134的实际晶体温度T_S的温度估计值T_E来对晶体振荡器112的频率进行补偿。

已经发现由无限脉冲响应滤波器134所产生的温度估计值T_E是高度准确的。来自无限脉冲响应滤波器134的估计温度T_E可以被馈送到存在于RTC 128内的RTC校准逻辑单元504中。

RTC校准逻辑单元504可以使来自无限脉冲响应滤波器134的估计温度与来自晶体振荡器112的相关表的补偿因数相互关联。RTC校准逻辑单元504还可以基于使用等式从无限脉冲响应滤波器134得到的估计温度T_E来计算补偿因数。由于RTC逻辑单元504以数字方式调整由RTC 128内的寄存器记录晶体振荡器112的频率的方式，所以然后可以由RTC 128内的寄存器以修改或增大的速率来记录来自晶体振荡器112的频率。

基于无限脉冲响应滤波器134的准确温度估计值T_E来调整晶体振荡器112的频率的记录允许RTC 128提供对时刻的高度准确的记述。可以预期的是，还可以使用调整晶体振荡器112的频率的调整机构，例如调整晶体振荡器112的负载电容。

现在参考图6，其中示出了图1的温度补偿实时时钟100的温度图表。温度图表被示为描绘无限脉冲响应滤波器134的性能。Y轴为温度，X轴为时间，T_A轨迹为环境温度，T_S轨迹为传感器温度，T_X轨迹为晶体温度，并且T_E轨迹为基于传感器温度的离散样本的估计晶体温度。

因此，已经发现，温度补偿实时时钟提供了重要的并且迄今为止未知的且难以得到的解决方案、能力、以及功能方面。由此得到的构造是简单明了的、成本高效的、不复杂的、高度通用的、准确的，灵敏的且有效的，并且可以通过使已知的部件适于准备好的、有效率的、并且经济的制造、应用、和利用来实施该构造。

虽然已经结合特定的最佳模式描述了温度补偿实时时钟，但是应该理解的是，根据先前的描述，许多替代物、修改、和变型对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本公开内容旨在包含落在所附权利要求所包括的范围内的所有这种替代物、修改、和变型。在本文中阐述的或在附图中示出的所有主题都要被理解为说明性的而非限制性的意义。

Claims (20)

1.一种实时时钟补偿的方法，包括：

利用温度传感器来测量温度；

由振荡器检测温度依赖频率；

输入所述温度并且利用无限脉冲响应滤波器来确定所述振荡器的温度估计值；以及

为所述振荡器确定补偿因数，

其中，确定所述温度估计值包括：利用所述无限脉冲响应滤波器来执行作为所述温度的函数的所述温度估计值的传递函数，以及将所述振荡器当作第一热梯度上的第一热质量并且将所述温度传感器当作第二热梯度上的第二热质量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述温度估计值包括：假设所述第一热梯度和所述第一热质量暴露于相同的环境温度；或者假设所述第二热梯度和所述第二热质量暴露于相同的环境温度；或者假设它们的组合。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述振荡器的所述温度估计值包括：假设所述第一热梯度与所述第二热梯度不相同；或者假设所述第一热质量与所述第二热质量不相同；或者假设它们的组合。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，检测所述温度依赖频率包括：利用晶体振荡器或在32KHz的范围内进行操作的振荡器来检测所述温度依赖频率。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，检测所述温度依赖频率包括：利用音叉式石英晶体振荡器来检测所述温度依赖频率。

6.根据权利要求1所述的方法，其中：

测量所述温度包括利用所述温度传感器的离散样本来测量所述温度；并且

确定所述温度估计值包括基于所述温度传感器的所述离散样本来确定所述温度估计值。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：基于所述补偿因数来调整实时时钟，或者基于所述补偿因数来调整所述振荡器的负载电容，或者它们的组合。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，调整所述实时时钟包括：调整所述实时时钟内的寄存器，或者调整由所述实时时钟记录的频率，或者它们的组合。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括：将包含实时时钟的片上系统耦合到远程传感器，以用于测量电力使用量并且基于所述实时时钟来提供电力使用的时刻。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述片上系统耦合到所述远程传感器包括：将所述片上系统耦合到变流器、分流器、罗果夫斯基线圈、或它们的组合。

11.一种温度补偿系统，包括：

温度传感器，其被配置用于测量温度；

振荡器，其被配置为检测温度依赖频率；

无限脉冲响应滤波器，其被配置为根据所述温度来确定所述振荡器的温度估计值；以及

数字逻辑单元，其被配置为确定所述振荡器的补偿因数，

其中，所述无限脉冲响应滤波器被配置为通过以下方法来确定所述温度估计值：执行作为所述温度的函数的所述温度估计值的传递函数，以及将所述振荡器当作第一热梯度上的第一热质量并且将所述温度传感器当作第二热梯度上的第二热质量。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述无限脉冲响应滤波器被配置为通过以下方法来确定所述温度估计值：假设所述第一热梯度和所述第一热质量暴露于相同的环境温度；或者假设所述第二热梯度和所述第二热质量暴露于相同的环境温度；或者假设它们的组合。

13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述无限脉冲响应滤波器被配置为通过以下方法来确定所述温度估计值：假设所述第一热梯度与所述第二热梯度不相同；或者假设所述第一热质量与所述第二热质量不相同；或者假设它们的组合。

14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述振荡器是晶体振荡器或在32KHz的范围内进行操作的振荡器。

15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述振荡器是音叉式石英晶体振荡器。

16.根据权利要求11所述的系统，其中：

所述温度传感器被配置为利用离散样本来测量所述温度；并且

所述无限脉冲响应滤波器被配置为基于所述离散样本来确定所述温度估计值。

17.根据权利要求11所述的系统，还包括实时时钟，其中，所述实时时钟被配置为基于所述补偿因数来进行调整；或者所述振荡器的负载电容被配置为基于所述补偿因数来进行调整；或者它们的组合。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述实时时钟被配置为通过以下方法来进行调整：调整所述实时时钟内的寄存器；或者调整由所述实时时钟记录的频率；或者它们的组合。

19.根据权利要求11所述的系统，还包括具有实时时钟的片上系统，所述片上系统被耦合到远程传感器，以用于测量电力使用量并且基于所述实时时钟来提供电力使用的时刻。

20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述片上系统被耦合到变流器、分流器、罗果夫斯基线圈、或它们的组合。

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