CN113645683B - 晶振自适应时钟同步方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种晶振自适应时钟同步方法及系统，包括：每隔第一预设时间唤醒一次传感器，在预设的接收等待窗口内等待获取来自基站的时钟同步信标，直至收到时钟同步信标并完成时钟同步；将所述接收等待窗口变更为传感器的时间偏差最大值D，每隔第二预设时间唤醒一次传感器，在变更后的所述接收等待窗口内等待获取来自基站的时钟同步信标；根据每次二次同步计算得到第三预设时间，每隔第三预设时间唤醒一次传感器，在变更后的所述接收等待窗口内等待获取来自基站的时钟同步信标，完成时钟同步并返回睡眠状态，否则返回初始化同步。能够自适应晶振个体的频率稳定度随工作环境温度、时间等因素的变化而变化，以减少对时频次。

Description

晶振自适应时钟同步方法及系统

技术领域

本发明涉及时钟同步技术领域，具体地，涉及一种晶振自适应时钟同步方法及系统。

背景技术

物联网传感器常常需要与基站进行时间同步，保证时间对时准确。专利文献CN105142210A公开了一种用于无线传感网的实时时钟同步校准方法及传感器。为了省电，需要能够越准确地在规定的时间窗口内唤醒，完成工作，并快速进入休眠省电模式，避免因当心错过时间窗口而过早唤醒所导致的额外功耗。

要想让传感器时间越准，就要越频繁地唤醒对时，也会消耗掉更多的电，因此通常的做法是选用频率稳定度更高的晶振。频率稳定度是指在规定的工作温度范围内，与标称频率允许的偏差(百万分之一)，用ppm表示，如±20ppm、±10ppm，甚至±1ppm，频率稳定度越高，单位时间内的时间漂移量就越少，因此就不需要那么频繁的对时。当然频率稳定度相同的晶振，个体的频率偏差值在不同的温度环境下还是会有所不同的，再考虑到老化率，在不同的使用阶段，也会有所变化，即使采用各种温度补偿和老化补偿算法，还是无法消除这些影响因素。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种晶振自适应时钟同步方法及系统。

根据本发明提供的一种晶振自适应时钟同步方法，包括：

初始化同步步骤：每隔第一预设时间唤醒一次传感器，在预设的接收等待窗口内等待获取来自基站的时钟同步信标，直至收到时钟同步信标并完成时钟同步；

二次同步步骤：将所述接收等待窗口变更为传感器的时间偏差最大值D，每隔第二预设时间唤醒一次传感器，在变更后的所述接收等待窗口内等待获取来自基站的时钟同步信标，所述二次同步步骤执行N次，N为自然数，直至收到时钟同步信标并完成时钟同步；

计算步骤：根据每次二次同步前的传感器时间Xi和同步后的实际纠偏量ΔXi，i=1…N，计算传感器时间Xi的算术平均值

，实际纠偏量ΔXi的算术平均值

，以及实际纠偏量ΔXi的标准差

，从而得到单位时间时钟纠偏量平均值μ/(t+μ)，单位时间时钟纠偏量的标准差σ/(t+μ)；

三次同步步骤：根据单位时间时钟纠偏量平均值和所述单位时间时钟纠偏量的标准差计算得到第三预设时间，每隔第三预设时间唤醒一次传感器，在变更后的所述接收等待窗口内等待获取来自基站的时钟同步信标，若收到时钟同步信标，则完成时钟同步并返回睡眠状态，若没有收到时钟同步信标，则返回所述初始化同步步骤。

优选地，所述初始化同步步骤还包括：所述传感器唤醒后发送时钟同步广播请求，然后经过预设睡眠时间后再次醒来接收在所述时钟同步广播请求中约定时间间隔后的时钟同步信标。

优选地，所述初始化同步步骤还包括：基站收到所述时钟同步广播请求时，向后端系统报告所述时钟同步广播请求的信号强度，由后端系统根据信号强度选择基站，在所述约定时间间隔后回复所述时钟同步信标

优选地，所述后端系统选择的基站为多个，多个基站在所述接收等待窗口内按照信号强度顺序回复。

优选地，所述第二预设时间的计算方式包括：T5=[(D-B)/A/C]*C-T4，其中，T5为第二预设时间的时间长度，B为基站间的时钟最大偏差，A为传感器的晶振频率稳定度，C为基站发送时间同步信标的时间间隔，T4为传感器从睡眠状态进入接收状态的所需时间。

优选地，变更后的所述接收等待窗口为时间偏差最大值D加上预设的余量。

优选地，所述第三预设时间的计算方式包括：T6=[(t+μ)*(D-B)/4σ/C]*C-T4，其中T6为第三预设时间的时间长度，B为基站间的时钟最大偏差， C为基站发送时间同步信标的时间间隔，T4为传感器从睡眠状态进入接收状态的所需时间。

根据本发明提供的一种晶振自适应时钟同步系统，包括：

初始化同步模块：每隔第一预设时间唤醒一次传感器，在预设的接收等待窗口内等待获取来自基站的时钟同步信标，直至收到时钟同步信标并完成时钟同步；

二次同步模块：将所述接收等待窗口变更为传感器的时间偏差最大值D，每隔第二预设时间唤醒一次传感器，在变更后的所述接收等待窗口内等待获取来自基站的时钟同步信标，所述二次同步模块执行N次，N为自然数，直至收到时钟同步信标并完成时钟同步；

计算模块：根据每次二次同步前的传感器时间Xi和同步后的实际纠偏量ΔXi，i=1…N，计算传感器时间Xi的算术平均值

，实际纠偏量ΔXi的算术平均值

，以及实际纠偏量ΔXi的标准差

，从而得到单位时间时钟纠偏量平均值μ/(t+μ)，单位时间时钟纠偏量的标准差σ/(t+μ)；

三次同步模块：根据单位时间时钟纠偏量平均值和所述单位时间时钟纠偏量的标准差计算得到第三预设时间，每隔第三预设时间唤醒一次传感器，在变更后的所述接收等待窗口内等待获取来自基站的时钟同步信标，若收到时钟同步信标，则完成时钟同步并返回睡眠状态，若没有收到时钟同步信标，则所述初始化同步模块执行工作。

优选地，所述第二预设时间的计算方式包括：T5=[(D-B)/A/C]*C-T4，其中，T5为第二预设时间的时间长度，B为基站间的时钟最大偏差，A为传感器的晶振频率稳定度，C为基站发送时间同步信标的时间间隔，T4为传感器从睡眠状态进入接收状态的所需时间。

优选地，所述第三预设时间的计算方式包括：T6=[(t+μ)*(D-B)/4σ/C]*C-T4，其中T6为第三预设时间的时间长度，B为基站间的时钟最大偏差， C为基站发送时间同步信标的时间间隔，T4为传感器从睡眠状态进入接收状态的所需时间。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明能够自适应晶振个体的频率稳定度随工作环境温度、时间等因素的变化而变化，动态调整时钟对时的频次，而不是简单地采用最差频率偏差值来设定时钟对时的频次，从而降低对时的功耗。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为基站和传感器的时钟偏差示意图；

图2为初始化同步步骤的流程图；

图3为二次同步步骤的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

频率稳定度相同的晶振，个体的频率偏差值在不同的温度环境下还是会有所不同的，再考虑到老化率，在不同的使用阶段，也会有所变化，即使采用各种温度补偿和老化补偿算法，还是无法消除这些影响因素。针对个体差异和外部缓慢（必要时叠加补偿算法后）的影响因素，本发明设计一种自适应算法，跟踪个体晶振频率偏差值的变化，动态调整时钟对时的频次，而不是简单地采用最差频率偏差值来设定时钟对时的频次，从而降低对时功耗。

如图1所示，假设晶振工作在正常的温度区间里，它们的频率稳定度为A（温漂+老化漂移+其他微小因素），基站的时钟偏差值≤B，基站每隔时间C发送一个时钟同步信标，不同基站的时钟同步信标为了避免碰撞在时间上应该是错开的。系统希望通过传感器与基站群组间保持时钟同步，以控制传感器的时间偏差值≤D，那么自适应时钟同步算法如下：

步骤1：如图2所示，当传感器收不到基站的时钟同步信标时，初始化时钟同步状态，每隔时长T1，醒来发射一个时钟同步广播请求，然后回去睡一段时间T2，再醒来接收与基站约定好的时钟同步信标，接收等待窗口时长为T3，期间只要收到任意基站的时钟同步信标，即可完成初始化对时，记录对应基站的信息，以便后续跟踪该基站的时钟同步信标，直至与该基站失联，重新触发上述初始化对时过程，然后立刻回到睡眠状态。如在T3时间段内没有收到任何时钟同步信标，则再等待时长T1，重复上述过程，直至收到时钟同步信标并完成初始化对时为止。当基站收到时钟同步广播请求时，向后端系统报告接收到的信号强度，由系统选择收到信号最强的几台基站参与回复时钟同步信标，这些基站在约定好的时间间隔T2后，在时间窗口T3内按收到信号强度的顺序回复，因此具体几台基站参与回复与T3时间窗口的宽度有关，当然不宜过多基站参与回复，否则时间窗口T3会过长，有可能增加传感器的功耗。

步骤2：如图3所示，传感器完成初始化对时后，每隔T5=[(D-B)/A/C]*C-T4时间，开启一次时钟同步，等待基站时钟同步信标的时间窗口设为传感器的时间偏差最大值D加上一点余量，以保证能够接收到基站的时钟同步信标，除非传感器不在相关基站的信号覆盖范围内。当收到步骤1中确定的对应基站的时钟同步信标，记录传感器当前时间Xi和实际纠偏量ΔXi、完成对时、设置间隔为T5的时间中断，然后立即返回睡眠状态，如果在等待时间窗口内没有收到对应基站的时钟同步信标，则回到步骤1。T4是传感器从睡眠状态进入信标接收状态所需时间，由于这个时间有可能控制得不是那么精确，存在个体差异，为保证能够接收到基站的时钟同步信标，需要提前醒来做好接收准备，因此等待时间窗口也需要相应地留有一定的余量。T4和时间窗口余量需要根据芯片组的特性来定。[(D-B)/A/C]*C-T4公式中之所以用(D-B)作为分子是考虑传感器与基站的时间偏差的最坏情况，除以A是用来计算多长时间要同步一次，否则传感器的时钟有可能飘出最大偏差值D了，再除以C是为了计算这个时长等效于几个基站同步信标周期，经过取整[]运算，再乘以C，还原成实际需要等待的时长，以保证与基站的时钟同步信标保持一致，减去T4是为了保证提前醒来并做好接收时钟同步信标所需的时间。

步骤3：当传感器成功完成第N次步骤2时钟同步，传感器记录下一组时间Xi和实际纠偏量ΔXi，其中i=1…N，传感器计算出t=Xi数列的算术平均值

，μ=ΔXi数列的算术平均值

，和σ=ΔXi数列的标准差

，由此得出单位时间时钟纠偏量平均值μ/(t+μ)，单位时间时钟纠偏量的标准差σ/(t+μ)。假设纠偏量按正太分布，那么如果设定单位时间的时钟不确定度范围=±4σ/(t+μ)的话，就意味着有99.9936%的概率，单位时间传感器的时钟纠偏量偏离纠偏量的平均值≤4σ/(t+μ)。

步骤4：有了单位时间时钟纠偏量平均值μ/(t+μ)和单位时间的时钟不确定度±4σ/(t+μ)，就可以不必按之前的时钟校准周期来对时。晶振个体可以根据单位时间时钟纠偏量平均值μ/(t+μ)自行校准，与基站的对时间隔变为T6=[(t+μ)*(D-B)/4σ/C]*C-T4。根据晶振温漂及老化特性，4σ/(t+μ)应该远远地小于晶振芯片的频率稳定度指标A，因此实际醒来与基站进行时钟同步的频次就会大幅降低，从而达到省电的目的。传感器每隔T6时间，开启一次时钟同步，等待基站时钟同步信标的时间窗口设为传感器的时间偏差最大值D加上一点余量，当收到步骤1中确定的对应基站的时钟同步信标，完成对时、设置间隔为T6的时间中断，然后立即返回睡眠状态，如果在等待时间窗口内没有收到对应基站的时钟同步信标，则回到步骤1。

本发明还提供的一种晶振自适应时钟同步系统，包括：

初始化同步模块：每隔第一预设时间唤醒一次传感器，在预设的接收等待窗口内等待获取来自基站的时钟同步信标，直至收到时钟同步信标并完成时钟同步。

二次同步模块：将所述接收等待窗口变更为传感器的时间偏差最大值D，每隔第二预设时间唤醒一次传感器，在变更后的所述接收等待窗口内等待获取来自基站的时钟同步信标，所述二次同步模块执行N次，N为自然数，直至收到时钟同步信标并完成时钟同步。

计算模块：根据每次二次同步前的传感器时间Xi和同步后的实际纠偏量ΔXi，i=1…N，计算传感器时间Xi的算术平均值

，实际纠偏量ΔXi的算术平均值

，以及实际纠偏量ΔXi的标准差

，从而得到单位时间时钟纠偏量平均值μ/(t+μ)，单位时间时钟纠偏量的标准差σ/(t+μ)；

三次同步模块：根据单位时间时钟纠偏量平均值和所述单位时间时钟纠偏量的标准差计算得到第三预设时间，每隔第三预设时间唤醒一次传感器，在变更后的所述接收等待窗口内等待获取来自基站的时钟同步信标，若收到时钟同步信标，则完成时钟同步并返回睡眠状态，若没有收到时钟同步信标，则所述初始化同步模块执行工作。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种晶振自适应时钟同步方法，其特征在于，包括：

初始化同步步骤：每隔第一预设时间唤醒一次传感器，在预设的接收等待窗口内等待获取来自基站的时钟同步信标，直至收到时钟同步信标并完成时钟同步；

二次同步步骤：将所述接收等待窗口变更为传感器的时间偏差最大值D，每隔第二预设时间唤醒一次传感器，在变更后的所述接收等待窗口内等待获取来自基站的时钟同步信标，所述二次同步步骤执行N次，N为自然数，直至收到时钟同步信标并完成时钟同步；

计算步骤：根据每次二次同步前的传感器时间Xi和同步后的实际纠偏量ΔXi，i=1…N，计算传感器时间Xi的算术平均值t=

，实际纠偏量ΔXi的算术平均值μ=

，以及实际纠偏量ΔXi的标准差σ=

，从而得到单位时间时钟纠偏量平均值μ/(t+μ)，单位时间时钟纠偏量的标准差σ/(t+μ)；

三次同步步骤：根据单位时间时钟纠偏量平均值和所述单位时间时钟纠偏量的标准差计算得到第三预设时间，每隔第三预设时间唤醒一次传感器，在变更后的所述接收等待窗口内等待获取来自基站的时钟同步信标，若收到时钟同步信标，则完成时钟同步并返回睡眠状态，若没有收到时钟同步信标，则返回所述初始化同步步骤。

2.根据权利要求1所述的晶振自适应时钟同步方法，其特征在于，所述初始化同步步骤还包括：所述传感器唤醒后发送时钟同步广播请求，然后经过预设睡眠时间后再次醒来接收在所述时钟同步广播请求中约定时间间隔后的时钟同步信标。

3.根据权利要求2所述的晶振自适应时钟同步方法，其特征在于，所述初始化同步步骤还包括：基站收到所述时钟同步广播请求时，向后端系统报告所述时钟同步广播请求的信号强度，由后端系统根据信号强度选择基站，在所述约定时间间隔后回复所述时钟同步信标。

4.根据权利要求3所述的晶振自适应时钟同步方法，其特征在于，所述后端系统选择的基站为多个，多个基站在所述接收等待窗口内按照信号强度顺序回复。

5.根据权利要求1所述的晶振自适应时钟同步方法，其特征在于，所述第二预设时间的计算方式包括：T5=[(D-B)/A/C]*C-T4，其中，T5为第二预设时间的时间长度，B为基站间的时钟最大偏差，A为传感器的晶振频率稳定度，C为基站发送时间同步信标的时间间隔，T4为传感器从睡眠状态进入接收状态的所需时间，[ ]为取整运算。

6.根据权利要求1所述的晶振自适应时钟同步方法，其特征在于，变更后的所述接收等待窗口为时间偏差最大值D加上预设的余量。

7.根据权利要求1所述的晶振自适应时钟同步方法，其特征在于，所述第三预设时间的计算方式包括：T6=[(t+μ)*(D-B)/4σ/C]*C-T4，其中T6为第三预设时间的时间长度，B为基站间的时钟最大偏差， C为基站发送时间同步信标的时间间隔，T4为传感器从睡眠状态进入接收状态的所需时间，[ ]为取整运算。

8.一种晶振自适应时钟同步系统，其特征在于，包括：

初始化同步模块：每隔第一预设时间唤醒一次传感器，在预设的接收等待窗口内等待获取来自基站的时钟同步信标，直至收到时钟同步信标并完成时钟同步；

二次同步模块：将所述接收等待窗口变更为传感器的时间偏差最大值D，每隔第二预设时间唤醒一次传感器，在变更后的所述接收等待窗口内等待获取来自基站的时钟同步信标，所述二次同步模块执行N次，N为自然数，直至收到时钟同步信标并完成时钟同步；

计算模块：根据每次二次同步前的传感器时间Xi和同步后的实际纠偏量ΔXi，i=1…N，计算传感器时间Xi的算术平均值t=

，实际纠偏量ΔXi的算术平均值μ=

，以及实际纠偏量ΔXi的标准差σ=

，从而得到单位时间时钟纠偏量平均值μ/(t+μ)，单位时间时钟纠偏量的标准差σ/(t+μ)；

三次同步模块：根据单位时间时钟纠偏量平均值和所述单位时间时钟纠偏量的标准差计算得到第三预设时间，每隔第三预设时间唤醒一次传感器，在变更后的所述接收等待窗口内等待获取来自基站的时钟同步信标，若收到时钟同步信标，则完成时钟同步并返回睡眠状态，若没有收到时钟同步信标，则所述初始化同步模块执行工作。

9.根据权利要求8所述的晶振自适应时钟同步系统，其特征在于，所述第二预设时间的计算方式包括：T5=[(D-B)/A/C]*C-T4，其中，T5为第二预设时间的时间长度，B为基站间的时钟最大偏差，A为传感器的晶振频率稳定度，C为基站发送时间同步信标的时间间隔，T4为传感器从睡眠状态进入接收状态的所需时间，[ ]为取整运算。

10.根据权利要求8所述的晶振自适应时钟同步系统，其特征在于，所述第三预设时间的计算方式包括：T6=[(t+μ)*(D-B)/4σ/C]*C-T4，其中T6为第三预设时间的时间长度，B为基站间的时钟最大偏差， C为基站发送时间同步信标的时间间隔，T4为传感器从睡眠状态进入接收状态的所需时间，[ ]为取整运算。

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