CN202256438U - 智能电能表硬件rtc误差补偿系统 - Google Patents

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周宣
任智仁
李宏华
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Abstract

本实用新型涉及一种智能电能表硬件RTC误差补偿系统，包括：一补偿值寄存器，其输出端连接第一输入选择器；一第一输入选择器，其输出端连接下述分频计数器；一用于对RTC计算脉冲进行计算并实时将计数数据输入到数字比较器的分频计数器；一用于将计数数据与设定值进行实时比较的数字比较器；一补偿周期寄存器，其输出端连接第二输入选择器；一第二输入选择器，其输出端连接补偿周期计数器；一用于根据秒脉冲信号进行计算补偿周期的补偿周期计数器；及一补偿控制状态机，其控制第一输入选择器和第二输入选择器。本实用新型能补偿由于外部晶体振荡器频率偏差引起的硬件RTC计时误差，从而达到准确的计时。

Description

智能电能表硬件RTC误差补偿系统
【技术领域】
本实用新型涉及电能计量领域，具体涉及一种智能电能表硬件RTC误差补偿系统。
【背景技术】
在智能电能表中，日历及计时功能往往采用硬件实时时钟(RTC)实现，而硬件RTC计时的准确度直接受到其振荡器振荡频率准确度的影响。振荡器一般采用标称频率为32768Hz石英晶体谐振器，其振荡频率的准确度则直接受温度变化的影响，如图1所示，在图中振荡器振荡频率与温度的数学关系为：
ETEMP＝a(T-T0)2+E0                                    (1)；
其中ETEMP为振荡器振荡频率的误差，单位为ppm；a为振荡器的二次温度系数，只与振荡器本身有关，单位为ppm/℃2；T为当前振荡器的温度，T0为标准温度，单位均为热力学温度开尔文(K)，一般T0在25℃左右，也就是298K；E0为振荡器在标准温度下的误差，单位为ppm。
硬件RTC系统是利用脉冲计数器计数振荡器输出的脉冲数，当脉冲数计到32768个时，则硬件RTC累计一秒，同时输出一个1Hz的脉冲、脉冲计数器清零、重新开始计数。而当振荡器的振荡频率有偏差时，如振荡频率误差为-15.26ppm(因为每增加或减少一个32768Hz的脉冲对应的振荡器的误差近似为±30.52ppm，即振荡器振荡频率近似为32767.5Hz)时，每天会产生(24×60×60×32768×15.26×10-6)÷32768≈1.32秒的日计时误差。所以，在硬件RTC计数振荡器脉冲时，必须采取补偿措施，补偿振荡器的频率偏差。
【实用新型内容】
本实用新型要解决的技术问题是提供一种智能电能表硬件RTC误差补偿系统，其能补偿由于外部晶体振荡器频率偏差引起的硬件RTC计时误差，从而达到准确的计时。
上述技术问题通过以下技术方案解决：
一种智能电能表硬件RTC误差补偿系统，其特征在于，包括：
一补偿值寄存器，其输出端连接下述第一输入选择器的输入端；
一第一输入选择器，其输出端连接下述分频计数器；
一用于对RTC计算脉冲进行计算并实时将计数数据输入到下述数字比较器的分频计数器；
一用于将所述计数数据与设定值进行实时比较以输出秒脉冲信号的数字比较器；
一补偿周期寄存器，其输出端连接下述第二输入选择器的输入端；
一第二输入选择器，其输出端连接下述补偿周期计数器；
一用于根据所述秒脉冲信号进行计算补偿周期并反馈完成补偿信号给下述补偿控制状态机的补偿周期计数器；
及一补偿控制状态机，其控制第一输入选择器和第二输入选择器。
本实用新型的原理是通过分频计数器计数外部晶体振荡器产生的脉冲，当计数到一定的数值(如32767)的时候，数字比较器便输出一个频率为1Hz的秒脉冲(作为本系统输出，以供给RTC计时)；如果外部晶体振荡器受到环境温度的影响，输出的脉冲与标准频率脉冲的(如32768Hz)有偏差的时候，补偿系统就通过在一定补偿周期内调节输出一个秒脉冲需要计数的外部晶体振荡器的脉冲数量来实现补偿，这个补偿周期最短为1秒，例如，如果晶体振荡器受到环境温度影响，输出的脉冲频率变为32767.5Hz时(标准频率脉冲为32768Hz)，补偿系统就会以2秒为周期，每个周期补偿1个外部晶体振荡器脉冲，即补偿周期内的第一秒计数器从1计数到32767便会输出一个秒脉冲，而第二秒依然要从0计数到32767才输出一个秒脉冲；这样就能保证硬件RTC在每一个补偿周期内，计时都是准确的。
因此，本实用新型能补偿由于外部晶体振荡器频率偏差引起的硬件RTC计时误差，从而达到准确的计时。
进一步的方案是，还包括一用于对RTC计算脉冲进行倍频后再输入所述分频计数器进行计算的PLL倍频器。本方案能获得更好的补偿效果与精度。
【附图说明】
图1为背景技术中振荡器振荡频率与温度的数学关系的示意图；
图2为实施例一本实用新型的结构示意图；
图3为实施例二本实用新型的结构示意图。
【具体实施方式】
实施例一
本实施例是针对采用标称频率为32768Hz石英晶体谐振器的智能电能表硬件RTC而设计的误差补偿系统。
如图2所示，本实施例提供的智能电能表硬件RTC误差补偿系统包括：
一8位有符号的补偿值寄存器，其输出端连接下述第一输入选择器的一输入端；
一第一输入选择器，其为8位的双输入选择器，其输出端连接下述分频计数器，第一输入选择器的另一输入端的输入值为0；
一用于对RTC计算脉冲进行计算并实时将计数数据输入到下述数字比较器的16额位有符号的分频计数器；
一用于将所述计数数据与设定值32767进行实时比较以输出秒脉冲信号的16位的数字比较器；
一8位无符号的补偿周期寄存器，其输出端连接下述第二输入选择器的一输入端；
一第二输入选择器，其为8位的双输入选择器，其输出端连接下述补偿周期计数器，第二输入选择器的另一输入端的输入值为0；
一用于根据所述秒脉冲信号进行计算补偿周期并反馈完成补偿信号给下述补偿控制状态机的8位无符号的补偿周期计数器；
及一补偿控制状态机，其控制第一输入选择器和第二输入选择器。
本实施例提供的智能电能表硬件RTC误差补偿系统的工作原理如下：
当外部石英晶振没有受到温度影响时，外部的石英晶振提供的近似32768Hz的RTC计数脉冲输入到分频计数器，驱动分频计数器进行计数，同时将实时的计数数据输入到数字比较器中，与设定值“32767”进行比较；当分频计数器计数到32767时，则数字比较器便会输出一个秒脉冲信号，供给RTC的其它功能模块进行秒计数；
当外部石英晶振由于受到温度变化与标称频差的影响，输入的RTC计数脉冲较32768Hz产生偏差时，如输入的时钟可能变化为32767Hz，这时可以向补偿值寄存器中写入补偿值的数据(补偿数据的取值范围为-127～+127，表示要补偿的石英晶振输入的脉冲数，正值表示要补偿的脉冲数为正数，负值表示要补偿的脉冲数为负数)，再向补偿周期寄存器写入补偿周期数据(补偿周期数据的取值范围为0～255，表示每次补偿中间间隔的秒数)，以对输出的秒脉冲进行误差补偿；
补偿值数据与补偿周期数据的确定，是由外部处理器读取温度传感器测定的温度数据，根据式(1)计算得到每一秒钟由于温度变化引起的振荡器频率误差ETEMP，再按照特定的算法，计算得到补偿值数据与补偿周期数据。
基于上述智能电能表硬件RTC误差补偿系统，整个误差补偿的过程控制由补偿控制状态机完成，当补偿使能信号有效并且上一秒的秒脉冲信号输出时，补偿状态机开始执行补偿控制流程，向第一双输入选择器发出载入补偿数据信号(在未给相应的双输入选择器发出载入补偿数据信号时，相应的双输入选择器输出的数据为0)，补偿周期数据被载入以输到补偿周期计数器，如补偿周期寄存器中的数据为0，此时补偿周期计数器的数据为0，则补偿周期计数器(该计数器执行减计数)立即发出补偿完成信号，使补偿状态机立即进入初始化状态，停止载入补偿值数据；载入不为0的补偿周期数据之后，向第二双输入选择器发出载入补偿数据信号，补偿值数据被载入到分频计数器中(载入之前分频技术器中的数据因为溢出为0)作为下一次计数的起始数据，载入完成后，补偿控制状态机使载入补偿数据信号无效；分频计数器从载入的起始数据开始计数，直到计到32767溢出；补偿周期数据被载入到补偿周期计数器之后，补偿周期计数器以秒脉冲信号作为输入的驱动信号，进行减计数，直到减到0时，向补偿控制状态机发出补偿完成信号，补偿状态机这时判断补偿使能信号是否有效，再决定是否启动下一次补偿。
这样，本误差补偿系统便能灵活的调节N秒(1≤N≤255)内输出N个1Hz秒脉冲需要计数的RTC计数脉冲数，从而补偿因外部石英晶振振荡频率误差造成的计时误差；本补偿系统能获得的补偿效果为每秒0.1197ppm～3876.04ppm或-3876.04ppm～-0.1197ppm。
实施例二
本实施例是针对采用标称频率为32768Hz石英晶体谐振器的智能电能表硬件RTC而设计的误差补偿系统。
如图3所示，本实施例提供的智能电能表硬件RTC误差补偿系统包括：
一17位有符号的补偿值寄存器，其输出端连接下述第一输入选择器的一输入端；
一第一输入选择器，其为17位的双输入选择器，其输出端连接下述分频计数器，第一输入选择器的另一输入端的输入值为0；
一用于对RTC计算脉冲进行512倍频以给到下述分频计数器的PLL倍频器；
一用于对倍频后的RTC计算脉冲进行计算并实时将计数数据输入到下述数字比较器的25额位有符号的分频计数器；
一用于将所述计数数据与设定值16777216进行实时比较以输出秒脉冲信号的25位的数字比较器；
一8位无符号的补偿周期寄存器，其输出端连接下述第二输入选择器的一输入端；
一第二输入选择器，其为8位的双输入选择器，其输出端连接下述补偿周期计数器，第二输入选择器的另一输入端的输入值为0；
一用于根据所述秒脉冲信号进行计算补偿周期并反馈完成补偿信号给下述补偿控制状态机的8位无符号的补偿周期计数器；
及一补偿控制状态机，其控制第一输入选择器和第二输入选择器。
本实施例提供的智能电能表硬件RTC误差补偿系统的工作原理如下：
当外部石英晶振没有受到温度影响时，由外部的石英晶振提供的近似32768Hz的RTC计数脉冲输入512倍频的PLL倍频器，经过倍频得到的16777216Hz时钟再输入到25位的分频计数器，驱动分频计数器进行计数，同时实时的计数数据输入到25位的数字比较器中，与数字“16777216”进行比较；当分频计数器计数到16777216时，则数字比较器便会输出一个脉冲，供给RTC的其它功能模块进行秒计数；
当外部石英晶振由于受到温度变化与标称频差的影响，输入的RTC计数脉冲较32768Hz产生偏差时，如输入的时钟可能变化为32767.3Hz，这时可以向补偿值寄存器中写入补偿值的数据“-358”(补偿数据取值范围为-262144～+262144，表示要补偿的经过512倍频的的脉冲数，正值表示要补偿的脉冲数为正数，负值表示要补偿的脉冲数为负数)，再向补偿周期寄存器写入补偿周期数据(补偿周期数据的取值范围为0～255，表示每次补偿中间间隔的秒数)，以对输出的秒脉冲进行误差补偿；
基于上述智能电能表硬件RTC误差补偿系统，整个误差补偿的过程控制由补偿控制状态机完成，当补偿使能信号有效并且上一秒的秒脉冲信号输出时，补偿状态机开始执行补偿控制流程，向第一双输入选择器发出载入补偿数据信号(在未给相应的双输入选择器发出载入补偿数据信号时，相应的双输入选择器输出的数据为0)，补偿周期数据被载入以输到补偿周期计数器，如补偿周期寄存器中的数据为0，此时补偿周期计数器的数据为0，则补偿周期计数器(该计数器执行减计数)立即发出补偿完成信号，使补偿状态机立即进入初始化状态，停止载入补偿值数据；载入不为0的补偿周期数据之后，向第二双输入选择器发出载入补偿数据信号，补偿值数据被载入到分频计数器中(载入之前分频技术器中的数据因为溢出为0)作为下一次计数的起始数据，载入完成后，补偿控制状态机使载入补偿数据信号无效；分频计数器从载入的起始数据开始计数，直到计到16777216溢出；补偿周期数据被载入到补偿周期计数器之后，补偿周期计数器以秒脉冲信号作为输入的驱动信号，进行减计数，直到减到0时，向补偿控制状态机发出补偿完成信号，补偿状态机这时判断补偿使能信号是否有效，再决定是否启动下一次补偿。
这样，本误差补偿系统便能灵活的调节N秒(1≤N≤255)内输出N个1Hz秒脉冲需要计数的经过512倍频的RTC计数脉冲数，从而补偿因外部石英晶振振荡频率误差造成的计时误差，使得即便在以1秒为补偿周期时，也可以获得±0.0596ppm的补偿精度。
本实用新型不局限于实施例一和实施例二，本实用新型智能电能表硬件RTC误差补偿系统对于采用其他标称频率(非32768Hz)石英晶体谐振器的智能电能表硬件RTC，可以相应地改变上述实施例中的各部件的位数及相关数值；第一输入选择器和第二输入选择器可以为三或更多输入端的多路输入选择器，在申请中第一输入选择器和第二输入选择器均只利用一输入端连接相应的寄存器，其他输入端的输入值固定为0；因此，基于上述实施例的、未做出创造性劳动的简单替换，应当属于本实用新型揭露的范围。

Claims (2)

1.一种智能电能表硬件RTC误差补偿系统，其特征在于，包括：
一补偿值寄存器，其输出端连接下述第一输入选择器的输入端；
一第一输入选择器，其输出端连接下述分频计数器；
一用于对RTC计算脉冲进行计算并实时将计数数据输入到下述数字比较器的分频计数器；
一用于将所述计数数据与设定值进行实时比较以输出秒脉冲信号的数字比较器；
一补偿周期寄存器，其输出端连接下述第二输入选择器的输入端；
一第二输入选择器，其输出端连接下述补偿周期计数器；
一用于根据所述秒脉冲信号进行计算补偿周期并反馈完成补偿信号给下述补偿控制状态机的补偿周期计数器；
及一补偿控制状态机，其控制第一输入选择器和第二输入选择器。
2.根据权利要求1所述的智能电能表硬件RTC误差补偿系统，其特征在于，还包括一用于对RTC计算脉冲进行倍频后再输入所述分频计数器进行计算的PLL倍频器。
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