專利名稱：智能電表時(shí)鐘校準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種時(shí)鐘偏差的修正方法，特別是一種智能電表時(shí)鐘校準(zhǔn)方法，主要適用于基于單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的萬(wàn)年歷時(shí)鐘系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)儀器設(shè)備提出了更高的要求，智能儀器儀表應(yīng)用而生，智能儀器儀表必然包含萬(wàn)年歷時(shí)鐘系統(tǒng)。目前，高精度萬(wàn)年歷時(shí)鐘系統(tǒng)主要采用專用集成芯片來(lái)滿足智能儀器的設(shè)計(jì)需求，例如采用日本的RX8025 (T)，美國(guó)的DS3231等。但是，對(duì)于大量生產(chǎn)需求而言卻增加了采購(gòu)難度和原材料成本。為此，我們基于單片機(jī)通用定時(shí)器的高精度萬(wàn)年歷時(shí)鐘系統(tǒng)，直接利用單片機(jī)常規(guī)資源，通過(guò)晶體特性，研發(fā)出一種工業(yè)級(jí)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的高精度時(shí)鐘校準(zhǔn)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:針對(duì)上述存在的問(wèn)題提供一種智能電表時(shí)鐘校準(zhǔn)方法，直接利用單片機(jī)常規(guī)資源，實(shí)現(xiàn)寬范圍高精度的誤差修正。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:智能電表時(shí)鐘校準(zhǔn)方法，其特征在于步驟如下:a、隨機(jī)抽取一只電表，測(cè)得不同溫度點(diǎn)的頻率偏差值，并模擬出溫度-頻率偏差的二次三項(xiàng)式曲線方程；b、確定粗調(diào)的最小修正值，利用步驟a得到的方程計(jì)算出當(dāng)前溫度下的頻率偏差作為補(bǔ)償值，用該補(bǔ)償值除以粗調(diào)最小修正值，取整作為粗調(diào)值C，取余作為細(xì)調(diào)值X ;其中粗調(diào)最小修正值的倒數(shù)N為晶體振蕩器輸出信號(hào)頻率的M倍，M或1/M取整；C、若補(bǔ)償值小于粗調(diào)最小修正值，則執(zhí)行步驟g，否則執(zhí)行步驟d ；d、若M為2、3、4或5，執(zhí)行步驟e，否則執(zhí)行步驟f ；e、內(nèi)部脈沖計(jì)數(shù)器對(duì)晶體振蕩器輸出信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)滿N個(gè)脈沖時(shí)，將晶體振蕩器輸出信號(hào)增加或減少C個(gè)脈沖，實(shí)現(xiàn)粗調(diào)，然后執(zhí)行步驟g ；f、對(duì)晶體振蕩器輸出信號(hào)進(jìn)行倍頻或分頻得到信號(hào)Ft，使得粗調(diào)最小修正值的倒數(shù)N為信號(hào)Ft頻率的M倍，且M取2、3、4或5 ;內(nèi)部脈沖計(jì)數(shù)器對(duì)Ft進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)滿N個(gè)脈沖時(shí)，將Ft增加或減少C個(gè)脈沖，實(shí)現(xiàn)粗調(diào)；g、晶體振蕩器輸出端配置有可控電容陣列，通過(guò)理論計(jì)算和多組實(shí)踐數(shù)據(jù)驗(yàn)證得出電容陣列的最小修正頻率，然后用細(xì)調(diào)值X除以最小修正頻率，取整作為需并聯(lián)電容陣列中單位電容的個(gè)數(shù)R，并控制任意R個(gè)單位電容并聯(lián)于晶體振蕩器輸出端，實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)。完成細(xì)調(diào)后，采用100M恒溫標(biāo)準(zhǔn)晶體作為頻率參考，對(duì)電表輸出的IHz信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣，再利用采樣出來(lái)的時(shí)間長(zhǎng)度與標(biāo)稱晶體的時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行比較，得到誤差，并精確到0.1PPM ;將計(jì)算得到的誤差作為補(bǔ)償?shù)牟钪?，通過(guò)晶體匹配電容與頻率的關(guān)系得到匹配電容陣列的排布，最后調(diào)整出準(zhǔn)確的常溫頻率。校準(zhǔn)過(guò)程中，每分鐘測(cè)量一次環(huán)境溫度，連續(xù)兩次溫度測(cè)量值的變化量小于0.55攝氏度。所述粗調(diào)最小修正值為3.815PPM，粗調(diào)最小修正值的倒數(shù)N為262144。所述晶體振蕩器輸出信號(hào)的頻率為32768Hz ;粗調(diào)時(shí)，對(duì)晶體振蕩器輸出的信號(hào)進(jìn)行2倍頻，得到頻率為65536Hz的信號(hào)Ft，內(nèi)部脈沖計(jì)數(shù)器對(duì)Ft進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)滿262144個(gè)脈沖時(shí)，將Ft增加或減少C個(gè)脈沖。所述電容陣列等效于128個(gè)容值為0.1289PF的單位電容并聯(lián)。所述電容陣列的最小修正頻率為0.31PPM。本發(fā)明的有益效果是:1、采用粗調(diào)和細(xì)調(diào)相結(jié)合的方式進(jìn)行頻率修正，不僅實(shí)現(xiàn)了較寬的修正范圍，而且保證了足夠高的精度，從而解決了溫度對(duì)時(shí)鐘計(jì)時(shí)誤差的影響。2、環(huán)境溫度測(cè)量值定時(shí)定量變化處理，有效防止了溫度測(cè)量系統(tǒng)帶來(lái)的暫時(shí)不可靠性。3、采用高速100M恒溫晶體作為頻率參考，對(duì)電能表輸出的IHZ信號(hào)進(jìn)行連續(xù)高頻采樣，再利用采樣出來(lái)的時(shí)間長(zhǎng)度與標(biāo)稱晶體的時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行比較，計(jì)算出誤差，然后根據(jù)細(xì)調(diào)原理校準(zhǔn)晶體實(shí)際頻率與標(biāo)稱頻率的誤差，從而進(jìn)一步提聞了時(shí)鐘校準(zhǔn)的精度。


圖1是本發(fā)明時(shí) 鐘系統(tǒng)的電路原理示意圖。圖2是本發(fā)明溫度-頻率偏差的特性曲線。
具體實(shí)施例方式萬(wàn)年歷時(shí)鐘系統(tǒng)是通過(guò)IHz秒基信號(hào)按照時(shí)間60進(jìn)制計(jì)數(shù)累加的，所以時(shí)間計(jì)時(shí)的精準(zhǔn)，走的快走的慢就與IHz秒基信號(hào)的準(zhǔn)確穩(wěn)定直接相關(guān)。在電子系統(tǒng)中通常采取手表晶體為振蕩器(32768Hz)，然后通過(guò)32768次分頻得到IHz秒基信號(hào)，而在信號(hào)分頻過(guò)程中由于采用高速半導(dǎo)體器件，幾乎不會(huì)引入延時(shí)誤差，所以最終日計(jì)時(shí)誤差的來(lái)源主要取決于手表晶體振蕩器振蕩頻率是否準(zhǔn)確穩(wěn)定。對(duì)于晶體而言，其頻率受溫度影響是最明顯的，并呈現(xiàn)出頻率偏差與溫度之間的二次函數(shù)關(guān)系。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的晶體應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，晶體的這種頻率偏差與溫度關(guān)系與晶體本身的生產(chǎn)制造有直接關(guān)系，也就是說(shuō)在生產(chǎn)的時(shí)候就既定了該批被生產(chǎn)出來(lái)的晶體溫度頻率偏差特性。所以，修正晶體頻率的重點(diǎn)也就是測(cè)量并驗(yàn)證出晶體的溫度頻率偏差特性曲線。如圖1所示，本例中，時(shí)鐘系統(tǒng)為現(xiàn)有技術(shù)，其中單片機(jī)采用美國(guó)美信半導(dǎo)體生產(chǎn)的TDK6542單片機(jī)，晶體采用精工生產(chǎn)的手表晶體(32768Hz，5ppm，ppm表示每百萬(wàn)單位，即parts per million),溫度傳感器采用飛利浦TCN75。具體校準(zhǔn)步驟如下:a、隨機(jī)抽取一只電表，在沒(méi)有任何修正措施的狀況下，測(cè)得不同溫度點(diǎn)的頻率偏差值如下表所示:
權(quán)利要求
1.一種智能電表時(shí)鐘校準(zhǔn)方法，其特征在于步驟如下: a、隨機(jī)抽取一只電表，測(cè)得不同溫度點(diǎn)的頻率偏差值，并模擬出溫度-頻率偏差的二次三項(xiàng)式曲線方程； b、確定粗調(diào)的最小修正值，利用步驟a得到的方程計(jì)算出當(dāng)前溫度下的頻率偏差作為補(bǔ)償值，用該補(bǔ)償值除以粗調(diào)最小修正值，取整作為粗調(diào)值C，取余作為細(xì)調(diào)值X ;其中粗調(diào)最小修正值的倒數(shù)N為晶體振蕩器輸出信號(hào)頻率的M倍，M或1/M取整； C、若補(bǔ)償值小于粗調(diào)最小修正值，則執(zhí)行步驟g，否則執(zhí)行步驟d ； d、若M為2、3、4或5，執(zhí)行步驟e，否則執(zhí)行步驟f; e、內(nèi)部脈沖計(jì)數(shù)器對(duì)晶體振蕩器輸出信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)滿N個(gè)脈沖時(shí)，將晶體振蕩器輸出信號(hào)增加或減少C個(gè)脈沖，實(shí)現(xiàn)粗調(diào)，然后執(zhí)行步驟g ； f、對(duì)晶體振蕩器輸出信號(hào)進(jìn)行倍頻或分頻得到信號(hào)Ft，使得粗調(diào)最小修正值的倒數(shù)N為信號(hào)Ft頻率的M倍，且M取2、3、4或5 ;內(nèi)部脈沖計(jì)數(shù)器對(duì)Ft進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)滿N個(gè)脈沖時(shí)，將Ft增加或減少C個(gè)脈沖，實(shí)現(xiàn)粗調(diào)； g、晶體振蕩器輸出端配置有可控電容陣列，通過(guò)理論計(jì)算和多組實(shí)踐數(shù)據(jù)驗(yàn)證得出電容陣列的最小修正頻率，然后用細(xì)調(diào)值X除以最小修正頻率，取整作為需并聯(lián)電容陣列中單位電容的個(gè)數(shù)R，并控制任意R個(gè)單位電容并聯(lián)于晶體振蕩器輸出端，實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能電表時(shí)鐘校準(zhǔn)方法，其特征在于:完成細(xì)調(diào)后，采用IOOM恒溫標(biāo)準(zhǔn)晶體作為頻率參考，對(duì)電表輸出的IHz信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣，再利用采樣出來(lái)的時(shí)間長(zhǎng)度與標(biāo)稱晶體的時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行比較，得到誤差，并精確到0.1PPM ;將計(jì)算得到的誤差作為補(bǔ)償?shù)牟钪担ㄟ^(guò)晶體匹配電容與頻率的關(guān)系得到匹配電容陣列的排布，最后調(diào)整出準(zhǔn)確的常溫頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的智能電表時(shí)鐘校準(zhǔn)方法，其特征在于:校準(zhǔn)過(guò)程中，每分鐘測(cè)量一次環(huán)境溫度，連續(xù)兩次溫度測(cè)量值的變化量小于0.55攝氏度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的智能電表時(shí)鐘校準(zhǔn)方法，其特征在于:所述粗調(diào)最小修正值為3.815PPM，粗調(diào)最小修正值的倒數(shù)N為262144。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的智能電表時(shí)鐘校準(zhǔn)方法，其特征在于:所述晶體振蕩器輸出信號(hào)的頻率為32768Hz ;粗調(diào)時(shí)，對(duì)晶體振蕩器輸出的信號(hào)進(jìn)行2倍頻，得到頻率為65536Hz的信號(hào)Ft，內(nèi)部脈沖計(jì)數(shù)器對(duì)Ft進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)滿262144個(gè)脈沖時(shí)，將Ft增加或減少C個(gè)脈沖。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的智能電表時(shí)鐘校準(zhǔn)方法，其特征在于:所述電容陣列等效于128個(gè)容值為0.1289PF的單位電容并聯(lián)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的智能電表時(shí)鐘校準(zhǔn)方法，其特征在于:所述電容陣列的最小修正頻率為0.31PPM。
全文摘要
本發(fā)明涉及智能電表時(shí)鐘校準(zhǔn)方法。本發(fā)明目的提供智能電表時(shí)鐘校準(zhǔn)方法，利用單片機(jī)常規(guī)資源實(shí)現(xiàn)寬范圍高精度誤差修正。本發(fā)明技術(shù)方案a、測(cè)得不同溫度點(diǎn)的頻率偏差值，模擬溫度-頻率偏差曲線；b、確定粗調(diào)的最小修正值，利用步驟a得到的方程計(jì)算出當(dāng)前溫度下的頻率偏差作為補(bǔ)償值；c、若補(bǔ)償值小于粗調(diào)最小修正值，則執(zhí)行步驟g，否則執(zhí)行步驟d；d、若M為2、3、4或5，執(zhí)行步驟e，否則執(zhí)行步驟f；e、內(nèi)部脈沖計(jì)數(shù)器對(duì)晶體振蕩器輸出信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，粗調(diào)，然后執(zhí)行步驟g；f、對(duì)晶體振蕩器輸出信號(hào)進(jìn)行倍頻或分頻得到信號(hào)Ft；g、晶體振蕩器輸出端配置有可控電容陣列。
文檔編號(hào)G04G3/00GK103176400SQ20131001337
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者周良璋, 舒元康, 鄭有波 申請(qǐng)人:杭州海興電力科技股份有限公司