CN109283864B - 一种数据采样的时间同步、校准方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据采样的时间同步方法和系统，其中，该方法包括：计算前一时间同步周期的实际采样间隔时钟周期数，实际采样间隔时钟周期数包括整数部分和小数部分；在当前时间同步周期内，每当时钟周期信号到来时，分别触发第一、第二整数计数器的计数值加1；每当第一整数计数器的计数值等于整数部分数值时，触发小数计数器的计数值加上小数部分数值；当小数计数器的累加计数值大于或等于预设值时，触发第二整数计数器的计数值减1；当第二整数计数器的计数值等于整数部分数值时，发送采样脉冲至采样控制器，以控制采样器进行数据采样。本发明通过两个整数计数器和小数计数器能够提高采样数据的时间同步精度。

Description

一种数据采样的时间同步、校准方法和系统

技术领域

本发明属于数据采样技术领域，尤其涉及一种数据采样的时间同步、校准方法和系统。

背景技术

全球电力骨干网络均是三相交流电力系统，频率为50Hz或60Hz。为了保证电力系统的稳定运行，需要对三相交流电的电压和电流进行准确的测量。目前，主要的测量技术是基于计算机的数字化测量技术，即通过电压和电流传感器(或者互感器)把高电压、大电流的信号(即电力系统一次信号)转换为适合测量的幅值较小的电压或者电流信号(即电力系统二次信号)，然后送入ADC(模数转换器)进行量化变成数字信号，并利用数字信号处理技术对采集到的信号进行相应的变换、计算，从而感知单个电力设备以及局部电网或者全局电网的工作状态，并进一步做故障判断与隔离、稳态与暂态控制、参数估计、故障预测等等应用。

由于电力系统设备本身在地理位置上是分散的，因此对设备的数据采集也是分散进行的，然后通过有线或者无线通信把分散的数据汇集到后台的中心机房，才能够做进一步计算。即智能电网的技术方向是通过布设大量的智能传感器，来感知各种电力设备(如变压器、线路、开关)的数据，并由单个设备的采样数据计算出电网的工作状态。

在对电力系统进行数据采集以及工作状态计算时，由于电力信号在电力设备中的传输速度接近光速，即每秒30万公里，或者说每微秒(us)300米。为了准确感知电力系统的整体状态，必须要获取同一时刻各个电力设备的数据，如果各个设备的采样数据在时间上差异太大，计算出的结果是没有意义的。比如在小电流接地配电网的单相接地故障定位这个应用领域，通过暂态零序电流进行故障定位是公认效果最好的故障定位方法，但是故障定位的前提是零序电流一定要准确，各相电流的采样时间偏差要控制在10us以内。在行波保护和雷电波定位这类应用领域，由于需要用时间差来计算空间距离，因此各个数据采集点的时间偏差要控制在1us以内。而由于电力系统中各个设备在地理位置上是分散的，因此要保证它们的采样时间严格同步，或者说把采样时间的偏差控制在10us以内，甚至1us，这是非常有挑战的。为了满足电力信号测量精度的要求，现代电力系统一般都采用较高的采样频率对电力信号进行高速采样，比如每个周期128、256、512个采样点。如果电力信号的频率是50Hz，则每秒钟的数据采样频率分别为6400,12800,25600次，如果电力信号的频率是60Hz，则每秒钟的数据采样频率分别为7680，15360，30720次。

假如要求实现12800的数据采样频率，一般会用12800整数倍频的高频时钟进行分频，例如用25.6M(即25600000)的时钟进行2000倍分频，或者用12.8M的时钟进行1000倍分频，这样就生成了频率为12800的采样信号。

电子系统上广泛使用低成本、低功耗的无源石英晶体振荡器(简称无源晶振，或者晶振)作为时钟源。石英晶体振荡器标称的理想频率和实际频率都是有一定偏差的，典型的频率偏差为±20PPM，这个偏差主要受晶体加工工艺的影响。在使用过程当中，石英晶体振荡器的频率还会受到温度的影响，随着时间的推移，石英晶体振荡器的频率还有老化现象。总之，常用的石英晶体振荡器的频率并非恒定，而是因个体差异、受工作环境影响、随时间缓慢变化的。

出于低成本和低功耗的考虑，电力系统配电网的数据采集设备大量采用普通的石英晶体振荡器作为采集设备的时钟源。即使两个采集设备以一秒的周期进行严格的时间同步，即每秒初两个采集设备的时间是严格同步的，同步误差为0，但是由于±20PPM频率偏差的影响，在这一秒钟的末尾，每个设备的时间和标准时间相比会产生±20us的偏差，造成两个采集设备之间会累计产生最大40us的时间偏差。40us的时间偏差会造成合成的零序电流当中有比较大的合成误差，严重影响了故障判断的准确性。如果时间同步的周期大于一秒钟，累计的时间偏差会成倍增加。每次时间同步会都需要数据采集设备消耗额外的能量，对于功耗敏感的数据采集设备而言，频繁的时间同步是一个巨大的功耗负担。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种能够将采样时间同步误差控制在1us以内的数据采样的时间同步方法和系统。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种数据采样的时间同步方法，包括：计算前一时间同步周期的实际采样间隔时钟周期数，所述实际采样间隔时钟周期数包括整数部分和小数部分；在当前时间同步周期内，分别采用第一整数计数器、第二整数计数器和小数计数器进行计数；每当外部时钟源的时钟周期信号到来时，分别触发所述第一、第二整数计数器的计数值加1；每当所述第一整数计数器的计数值等于所述整数部分数值时，触发所述小数计数器的计数值加上所述小数部分数值；当所述小数计数器的累加计数值大于或等于预设值时，触发所述第二整数计数器的计数值减1；当所述第二整数计数器的计数值等于所述整数部分数值时，发送采样脉冲至采样控制器，以控制采样器进行数据采样。

根据本发明的另一个方面，还提供一种数据采样的时间同步系统，包括采样参数计算模块、第一整数计数器、第二整数计数器和小数计数器；所述采样参数计算模块，用于计算前一时间同步周期的实际采样间隔时钟周期数，所述实际采样间隔时钟周期数包括整数部分和小数部分；所述第一整数计数器，用于对当前时间同步周期内的时钟周期信号进行计数，以及当其计数值等于所述整数部分数值时，触发所述小数计数器的计数值加上所述小数部分数值；所述小数计数器，用于在其计数的累加值大于或等于预设值时，触发所述第二整数计数器的计数值减1；所述第二整数计数器，用于当其计数值等于所述整数部分数值时，发送采样脉冲至采样控制器，以控制采样器进行数据采样。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)本发明通过计算当前时间同步周期的上一时间同步周期的实际采样间隔时钟周期数，得到实际采样间隔时钟周期数的整数部分和计数部分，并且每次利用上一时间同步周期计算得到的整数部分和小数部分对当前时间同步周期的数据采样进行指导，即每个当前时间同步周期的数据采样都是按照计算得到的上一时间同步周期的实际采样间隔时钟周期数进行采样的，这样不会造成时间同步的累计误差，即上一周期的时间同步误差只可能影响到当前时间同步周期，而不会影响到当前时间同步周期的下一时间同步周期；

(2)通过采用两个整数计数器和一个小数计数器对当前时间同步周期的时钟周期信号进行计数，每当所述第一整数计数器的计数值等于所述整数部分数值时，触发所述小数计数器的计数值加上所述小数部分数值，以及当所述小数计数器的累加计数值大于或等于预设值时，触发所述第二整数计数器的计数值减1，以及当所述第二整数计数器的计数值等于所述整数部分数值时，发送采样脉冲至采样控制器，以控制采样器进行数据采样，从而将计算得到的实际采样间隔时钟周期数的小数部分均匀地加入到当前时间同步周期中，从而提高采样的时间同步精度；

附图说明

图1是本发明第一实施例的一种数据采样的同步方法的流程图；

图2是本发明第一实施例中步骤S11的子步骤的流程图；

图3是本发明第二实施例的一种数据采样的同步方法的流程图；

图4是本发明第三实施例一种数据采样的时间同步系统的结构示意图；

图5是本发明第四实施例一种数据采样的时间同步系统的结构示意图；

图6是根据本发明第五实施例一种数据采样的时间同步系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1显示了本发明第一实施例的一种数据采样的时间同步方法的流程图。

请参阅图1，一种数据采样的时间同步和校准方法，包括：

S10，计算前一时间同步周期的实际采样间隔时钟周期数，该实际采样间隔时钟周期数包括整数部分和小数部分；

具体地，前一时间同步周期的实际采样间隔时钟周期数是基于前一时间同步周期的实际时钟频率CLK_FREQ除以目标采样率SPS_TARGET得到的。时间同步周期是指自接收到一次全球定位系统发送的时间同步信号开始，将当前时间作为时间同步周期的起始时间，将下一次全球定位系统发送的时间同步信号的时间作为时间同步周期的结束时间，以此构成一个时间同步周期。具体地，除去第一个时间同步信号之外，其他时间同步信号的接收时间都是既作为前一时间同步周期的结束时间，同时也作为当前时间同步周期的开始时间。

S11，在当前时间同步周期内，每当外部时钟源的时钟周期信号到来时，分别触发所述第一、第二整数计数器的计数值加1；

S12，每当第一整数计数器的计数值等于整数部分数值时，触发小数计数器的计数值加上经过处理后的小数部分数值；

在具体实施过程中，由于实际的时钟频率是变化的，计算出的采样间隔时钟周期数不可能正好是整数，而是带有小数部分。例如：小数部分数值为0.95，则通过以下方式计算得到经过处理后的小数部分数值：int(0.95*(1<<N_FRAG))，通过该计算方式能够得到用以小数计数器的计数值。具体地，如图2所示，本发明是采用如下方式计算实际采样间隔时钟周期数，得到整数部分以及经过处理能够用于计数器计数的小数部分：

S110，采用前一时间同步周期的实际时钟频率CLK_FREQ除以目标采样率SPS_TARGET，其中，目标采样率是预先设定好的，得到第一商值(即实际采样间隔的整数部分)，记为TIMERP_INT，第一余数(即实际采样间隔的余数部分)，记为CLK_REMAIN；

S111，采用前一时间同步周期的实际时钟频率CLK_FREQ除以第一商值TIMERP_INT，得到第二商值，记为SPS0；

S112，采用第一余数CLK_REMAIN除以第二商值SPS0，得到第三商值，记为TIMERP_FRAG。

具体地，在步骤S112中，当第一余数小于第二商值时，将第一余数左移N位，再采用左移N位后的第一余数除以第二商值，得到的结果的整数作为经过处理后的小数部分数值用以小数计数器进行计数。

在步骤S112中，由于第一余数CLK_REMAIN小于第二商值SPS0，因此如果直接做整数除法商是0。为了保证实际采样间隔时钟周期数足够的计算精度，在计算除法以前需要把第一余数CLK_REMAIN左移N_FRAG位，比如N_FRAG为8、16、20、24、或者32位，第一余数左移以后的结果再除以第二商值SPS0，得到的计算结果为第三商值TIMERP_FRAG的最高N_FRAG个小数位。

采用本发明的上述步骤S110-S112的方法计算得到的经过处理后的小数部分数值在用于小数计数器计数时，能够将多个采集器之间的时间偏差尽可能减小。

下面通过举例对上述实施方式进行解释说明：

例如：以标称频率为25600000，实际频率偏差是10PPM，则实际时钟频率为25600256。假如数据的目标采样率为12800，则实际采样间隔时钟周期数是2000.02个时钟周期。则计算方法如下：

S110：25600256/12800，第一商值TIMERP_INT是2000，第一余数CLK_REMAIN为256；

S111：25600256/2000,第二商值SPS0为12800；

S112：第一余数CLK_REMAIN除以第二商值SPS0，即256/12800，在做除法以前，假如左移的位数是24位，则实际的运算是(256<<24)/12800＝(2^32)/(2^8*50)＝(2^24/50)＝335544＝0x51EB8，即TIMERP_FRAG为335544，小数计数器的预设值就是(1<<24)即2^24.

通过小数计数器能够达到实际补偿的时钟周期数为：SPS0*TIMERP_FRAG/小数计数器的预设值,即335544*12800/2^24＝0xFFFFF00/2^24＝0xFFFFF00>>24＝0xFF,即255个时钟。而最初需要补偿的CLK_REMAIN为256，二者仅相差1个时钟周期。

需要说明的是：在S110，S111，S112的计算过程当中，所有的除法都是整数除法，每次除法都会得到相应的商和余数。在步骤S12中，可选地，可以将第一整数计数器的计数值减去整数部分数值以恢复初始状态重新开始计数，还可以是每当第一整数计数器的计数值等于整数部分的整数倍时，则触发小数计数器开始累加小数部分进行累加计数。

S13，当小数计数器的累加计数值大于或等于预设值时，触发第二整数计数器的计数值减1；

在上述步骤S13中，还包括：将小数计数器的累加计数值减去预设值以恢复初始状态重新开始计数。

具体地，预设值为通过前述步骤S110-S112计算得到的数值。

S14，当第二整数计数器的计数值等于整数部分数值时，发送采样脉冲至采样控制器，以控制采样器进行数据采样。

在上述步骤S14中，还包括：将第二整数计数器的计数值减去整数部分数值。

在本发明第一实施例中，还包括：在每一个时间同步周期结束时，对两个整数计数器和小数计数器进行清零。以使得第一、第二整数计数器和小数计数器的计数不会累加到下一时间同步周期，即在每一个时间同步周期的起始时刻，第一、第二整数计数器和小数计数器都会清零，从而实现每个当前时间同步周期只会影响下一时间同步周期的数据采样，减小时间同步误差。

本发明实施例通过计算上一时间同步周期的实际采样间隔时钟周期数的整数部分，以及分别采用第一、第二整数计数器分别对当前时间同步周期内的时钟周期信号进行计数，和采用小数计数器在第一整数计数器的计数值等于所述整数部分数值时进行小数部分累加计数，从而实现把实际采样间隔时钟周期数的小数部分均匀地加入到了整数计数器的计数当中，两次时间采样的时间间隔要么是整数部分数值个时钟周期(此时，小数累加器的值小于一)，要么是整数部分数值加一个时钟周期(小数累加器的值大于或等于一时)。由于采样时钟的频率一般至少为20M左右，则相差一个时钟周期，相当于相差0.05us，因此采样的时间同步精度能够控制在1us以内。并且由于每一时间同步周期都是基于前一时间同步周期计算得到的实际采样间隔进行采样，因此，这种误差不会造成累计误差，使得同步精度有所提高。

图3显示了本发明第二实施例的一种数据采样的时间同步方法的流程图。

请参阅图3，本发明第二实施例不仅包含第一实施例的步骤，还包括如下步骤S10的子步骤S101-S104，步骤S1的子步骤包括：

S101，每当接收到时钟周期信号时，采用时钟计数器进行加1计数；

具体地，是采用时钟计数器对外部时钟源进行计数。每当外部时钟源有效，时钟计数器的计数就增加一。每一秒钟之内时钟计数器增加的数值就是准确的时钟频率。外部时钟源可以是采用晶体振荡器。由于两次时间同步信号的接收时间间隔比较短(一般为一秒钟到一分钟)，在此期间外部环境温度的变化不大，并且可以不考虑外部晶体振荡器的老化，因此可以认为晶体振荡器的频率基本是稳定不变的，或者晶振频率变化不大。

S102，每当接收到时间同步信号时，读取所述时钟计数器的当前计数值；

S103，基于读取到的当前计数值和前一次读取到计数值之差，以及读取两次计数值的时间间隔，计算实际时钟频率；

S104，基于实际时钟频率和目标采样率，计算实际采样间隔时钟周期数。

优选地，时间同步信号可以是来自GPS/北斗接收模块的秒脉冲、或通过有线方式传送的时间同步信号、或通过无线方式传送的时间同步信号。由于不同的时间同步方式会有不同的时间同步延时，并且延时的偏差也不同。这些方式当中，来自全球定位系统的同步脉冲的精确度是最高的，可以达到广域10ns级别的同步精度。采用有线方式可以达到1us以内的同步精度。采用无线方式可以达到10us以内的同步精度。时间同步的固定时间延迟可以通过数据校准算法进行纠正，但是时间延迟的的随机性偏差是无法进行消除的。上述时间偏差均为固定时间延迟，对于数据采样来说，时间同步误差是由固定时间延迟和守时误差共同决定的，守时误差是由晶体振荡器的一些原因造成的误差，可以通过小数计数器来减小，当时间同步误差能够控制得足够小时，且守时误差也可以控制的足够小时，则时间同步精度就可以控制在1us以内。

图4显示了一种数据采样的时间同步系统的结构示意图。

请参阅图4，一种数据采样的时间同步系统,包括采样参数计算模块10、第一整数计数器11、第二整数计数器12和小数计数器13；

所述采样参数计算模块10，用于计算前一时间同步周期的实际采样间隔时钟周期数，所述实际采样间隔时钟周期数包括整数部分和小数部分；

所述第一整数计数器11，用于对当前时间同步周期内的时钟周期信号进行计数，以及当其计数值等于所述整数部分数值时，触发所述小数计数器的计数值加上所述小数部分数值；

所述小数计数器13，用于在其计数的累加值大于或等于预设值时，触发所述第二整数计数器的计数值减1；

所述第二整数计数器12，用于当其计数值等于所述整数部分数值时，发送采样脉冲至采样控制器，以控制采样器进行数据采样。

图5显示了一种数据采样的时间同步系统的结构示意图。

请参阅图5，时间同步系统还包括：

时钟计数器14，与外部的时钟源15连接，用于在接收到外部时钟源的时钟周期信号时，进行加1计数；

所述采样参数计算模块10，用于每当接收到时间同步信号时，读取所述时钟计数器14的当前计数值，和基于读取到的当前计数值和前一次读取到计数值之差，以及读取两次计数值的时间间隔，计算实际时钟频率，以及基于所述实际时钟频率和目标采样率，计算实际采样间隔时钟周期数。

图6显示了一种数据采样的时间同步系统的结构示意图。

请参阅图6，时间同步系统还包括：

时间同步信号接收模块16，与所述采样参数计算模块连接，用于接收来自GPS/北斗模块的秒脉冲信号，或者接收通过有线方式发送的时间同步信号，或者接收通过无线方式发送的时间同步信号，并且将所述时间同步信号发送至所述采样参数计算模块。

其中，小数计数器，在其累加计数值大于或等于预设值时，触发所述第二整数计数器的计数值减1时，还包括将其计数累加值减去预设值；

第一、第二整数计数器，还用于当各自的计数值等于所述整数部分数值时，将其计数值减去整数部分的数值。

需要说明的是，本发明数据采样的时间同步系统是与涉及计算机程序流程的数据采样的时间同步方法一一对应的系统，由于在前已经对数据采样的时间同步方法的步骤流程进行了详细描述，在此不再对数据采样的时间同步、校准系统的实施过程进行赘述。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种数据采样的时间同步方法，其特征在于，包括：

计算前一时间同步周期的实际采样间隔时钟周期数，所述实际采样间隔时钟周期数包括整数部分和小数部分；

在当前时间同步周期内，每当外部时钟源的时钟周期信号到来时，分别触发第一、第二整数计数器的计数值加1；

每当所述第一整数计数器的计数值等于所述整数部分数值时，触发小数计数器的计数值加上所述小数部分数值；

当所述小数计数器的累加计数值大于或等于预设值时，触发所述第二整数计数器的计数值减1；

当所述第二整数计数器的计数值等于所述整数部分数值时，发送采样脉冲至采样控制器，以控制采样器进行数据采样。

2.根据权利要求1所述的一种数据采样的时间同步方法，其特征在于，所述计算前一时间同步周期的实际采样间隔时钟周期数的步骤包括：

每当接收到时钟周期信号时，采用时钟计数器进行加1计数；

每当接收到时间同步信号时，读取所述时钟计数器的当前计数值；

基于读取到的当前计数值和前一次读取到计数值之差，以及读取两次计数值的时间间隔，计算实际时钟频率；

基于所述实际时钟频率和目标采样率，计算实际采样间隔时钟周期数。

3.根据权利要求1所述的一种数据采样的时间同步方法，其特征在于，当所述第一整数计数器的计数值等于所述整数部分数值时，所述时间同步方法还包括：

将所述第一整数计数器的计数值减去所述整数部分。

4.根据权利要求1或3所述的一种数据采样的时间同步方法，其特征在于，当所述小数计数器的累加计数值大于或等于预设值时，触发所述第二整数计数器的计数值减1时，所述时间同步方法还包括：

将所述小数计数器的累加计数值减去所述预设值。

5.根据权利要求1所述的一种数据采样的时间同步方法，其特征在于，当所述第二整数计数器的计数值等于所述整数部分数值时，所述时间同步方法还包括：

将所述第二整数计数器的计数值减去所述整数部分。

6.一种数据采样的时间同步系统，其特征在于，包括采样参数计算模块、第一整数计数器、第二整数计数器和小数计数器；

所述采样参数计算模块，用于计算前一时间同步周期的实际采样间隔时钟周期数，所述实际采样间隔时钟周期数包括整数部分和小数部分；

所述第一整数计数器，用于对当前时间同步周期内的时钟周期信号进行计数，以及当其计数值等于所述整数部分数值时，触发所述小数计数器的计数值加上所述小数部分数值；

所述小数计数器，用于在其计数的累加值大于或等于预设值时，触发所述第二整数计数器的计数值减1；

所述第二整数计数器，用于当其计数值等于所述整数部分数值时，发送采样脉冲至采样控制器，以控制采样器进行数据采样。

7.根据权利要求6所述的一种数据采样的时间同步系统，其特征在于，所述时间同步系统还包括：

时钟计数器，与外部的时钟源连接，用于在接收到时钟周期信号时，进行加1计数；

所述采样参数计算模块，用于每当接收到时间同步信号时，读取所述时钟计数器的当前计数值，和基于读取到的当前计数值和前一次读取到计数值之差，以及读取两次计数值的时间间隔，计算实际时钟频率，以及基于所述实际时钟频率和目标采样率，计算实际采样间隔时钟周期数。

8.根据权利要求6所述的一种数据采样的时间同步系统，其特征在于，所述第一整数计数器，还用于当其计数值等于所述整数部分数值时，将所述第一整数计数器的计数值减去所述整数部分。

9.根据权利要求6或8所述的一种数据采样的时间同步系统，其特征在于，

所述小数计数器，还用于当其累加计数值大于或等于预设值时，触发所述第二整数计数器的计数值减1时，将其计数累加值减去预设值。

10.根据权利要求6所述的一种数据采样的时间同步系统，其特征在于，所述第二整数计数器，还用于当其计数值等于所述整数部分数值时，将所述第二整数计数器的计数值减去所述整数部分。

Images