基于溫度補償?shù)膶r守時系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明為智能變電站智能設(shè)備提供了一種基于溫度補償?shù)膶r守時系統(tǒng)及方法，首先通過外部秒脈沖完成晶振的頻率測量，極大提高了晶振的頻率測量精；然后通過晶振周圍的測溫芯片，實時完成晶振環(huán)境的溫度測量；第三通過晶振的溫頻特性方程并計入實測誤差，完成晶振溫頻系數(shù)的計算；第四通過溫頻系數(shù)實時計算秒脈沖寬度；第五在外部秒脈沖正常的情況下，直接將外部秒脈沖輸出；第六在外部秒脈沖消失的情況下，將計算得到秒脈沖作為輸出。本發(fā)明在保持對時守時精度的情況下，可有效降低晶振的技術(shù)指標(biāo)要求，減少設(shè)計成本，提高方案的可靠性及環(huán)境適用性。
【專利說明】基于溫度補償?shù)膶r守時系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明設(shè)計基于溫度補償?shù)膶r守時系統(tǒng)及方法，屬于智能變電站自動化【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著智能變電站建設(shè)的深入，智能二次設(shè)備的各項指標(biāo)均大幅提升。為獲得高精度的過程層采樣數(shù)據(jù)，對過程層設(shè)備的時鐘精度提出了新的要求。特別是對合并單元提出了采樣的同步誤差應(yīng)不大于±1μ S，在外部同步信號消失后，至少能在IOmin內(nèi)滿足4ys同步精度要求。這就要求二次智能設(shè)備的時鐘誤差在外部時鐘正常時必須小于I μ S，且在外部時鐘丟失時，能在IOmin的時間內(nèi)保持4 μ s的精度。這些指標(biāo)對智能裝置的時鐘模塊提出了很高的要求，要滿足這些指標(biāo)，必須開發(fā)高精度的時鐘模塊。很多文獻在開發(fā)高精度時鐘方案中采用高精度恒溫晶振，以降低因晶振頻率不穩(wěn)造成的誤差。恒溫晶振是通過保持精密恒溫箱的溫度恒定在遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度的高溫狀態(tài)下，使晶振的工作溫度恒定，實現(xiàn)頻率的穩(wěn)定性。晶振在高溫下的老化速度遠(yuǎn)高于低溫，恒溫晶振的老化將導(dǎo)致設(shè)備壽命大大降低，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致頻率漂移造成整個時鐘系統(tǒng)紊亂。另外恒溫晶振的體積和成本也高于溫補晶振。故用溫補晶振開發(fā)時鐘模塊是設(shè)計的目標(biāo)。
[0003]晶振固有頻率不僅與它的形狀有關(guān)，也與環(huán)境參數(shù)有關(guān)，如溫度、濕度、壓力、加速度、振動、磁場、電場、質(zhì)量負(fù)載和輻射等，這些參數(shù)的變化都將不同程度地引起晶振頻率的漂移。其中壓力、加速度、振動、磁場、電場、質(zhì)量負(fù)載和輻射在變電站智能二次設(shè)備的設(shè)計中均有整體方案，可使其處于相對穩(wěn)定環(huán)境內(nèi)，另外通過密封的封裝可極大降低濕度對晶振頻率的影響，故這些因素可忽略。對晶振頻率穩(wěn)定性影響最大的是溫度，因此在設(shè)計時鐘模塊的工作中，消除晶振頻率受溫度變化的影響成為工作的關(guān)鍵。
[0004]使用溫補晶振設(shè)計二次設(shè)備時鐘模塊需解決以下兩個問題:
[0005]( I)外部時鐘正常時，如何消除晶振溫度變化的影響；
[0006](2)外部時鐘異常時，如何降低晶振溫度變化對時鐘模塊守時精度的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提出一種低成本高精度的對時守時系統(tǒng)及方法，可在保持守時精度的情況下，降低對晶振的技術(shù)指標(biāo)要求。
[0008]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0009]基于溫度補償?shù)膶r守時系統(tǒng)，包括以下功能模塊:
[0010]晶振模塊，所述晶振模塊通過FPGA倍頻后生成IOOMHz的頻率供時鐘輸入模塊和時鐘輸出模塊作為基準(zhǔn)頻率使用；
[0011]時鐘輸入模塊，所述時鐘輸入模塊將外部輸入的時鐘信號轉(zhuǎn)換成秒脈沖和世紀(jì)秒，所述時鐘輸入模塊用IOOMHz的頻率對外部秒脈沖的寬度計數(shù)，每秒生成一個計數(shù)結(jié)果，并傳遞給頻率測量模塊，所述時鐘輸入模塊將解析的外部秒脈沖和世紀(jì)秒傳遞給時鐘輸出模塊；
[0012]頻率測量模塊，接收時鐘輸入模塊輸出的秒脈沖寬度計數(shù)結(jié)果，計算頻率，并將頻率計算結(jié)果傳遞給溫度系數(shù)計算模塊；
[0013]溫度測量模塊，所述溫度測量模塊采用高速溫度傳感器，每I秒轉(zhuǎn)換一次溫度值，并將溫度值實時輸出給溫度系數(shù)計算模塊和秒脈沖寬度計算模塊；
[0014]溫度系數(shù)計算模塊，所述溫度系數(shù)計算模塊用以生成溫度系數(shù)序列，并對產(chǎn)生的溫度系數(shù)序列計算平均值，將最新的計算結(jié)果傳遞給秒脈沖寬度計算模塊；
[0015]秒脈沖寬度計算模塊，根據(jù)所述溫度測量模塊測量的溫度和溫度系數(shù)模塊計算的溫度系數(shù)，依據(jù)晶振的溫頻特性方程計算晶振頻率，再根據(jù)晶振頻率得到秒脈沖寬度計數(shù)值，進而輸出秒脈沖，并傳遞給時鐘輸出模塊；
[0016]時鐘輸出模塊，所述時鐘輸出模塊用以輸出世紀(jì)秒、秒脈沖，并計算測量頻率和計算頻率之間的誤差輸出至溫度系數(shù)計算模塊；所述測量頻率和計算頻率之間的誤差是指時鐘輸出模塊測量每個外部秒脈沖的寬度，并將該寬度和秒脈沖寬度計算得到的秒脈沖寬度進行比較，產(chǎn)生的差值轉(zhuǎn)化為頻率差值。
[0017]前述的晶振模塊采用溫補晶振。
[0018]前述當(dāng)外部時鐘信號正常時，所述時鐘輸出模塊將時鐘輸入模塊解析的外部秒脈沖和世紀(jì)秒輸出，并將計算的頻率差值輸出至溫度系數(shù)計算模塊，用以在下一個秒脈沖中進行溫度系數(shù)補償；當(dāng)外部時鐘信號消失時，所述時鐘輸入模塊停止輸出，所述溫度系數(shù)計算模塊停止計算，并保持計算結(jié)果，所述時鐘輸出模塊將秒脈沖寬度計算模塊計算的秒脈沖輸出，并在秒脈沖輸出時將本地世紀(jì)秒的值依次遞加。
[0019]基于溫度補償?shù)膶r守時系統(tǒng)的對時守時方法，包括以下步驟:
[0020]I)選取晶振，通過FPGA倍頻后生成IOOMHz的頻率作為基準(zhǔn)頻率使用；
[0021]2)將外部輸入的時鐘信號經(jīng)解析后轉(zhuǎn)換成秒脈沖和世紀(jì)秒，并以IOOMHz的頻率對外部秒脈沖的寬度計數(shù)，每秒生成一個計數(shù)結(jié)果；
[0022]3)根據(jù)所述步驟2)輸出的秒脈沖寬度計數(shù)結(jié)果，計算晶振頻率；
[0023]4)令高速溫度傳感器緊貼所選晶振，實時測量晶振周圍溫度；
[0024]5)根據(jù)所選晶振的溫頻特性方程，利用所述步驟4)所測得的溫度及所述步驟3)計算的晶振頻率，計算晶振的溫度系數(shù)；
[0025]6)根據(jù)所選晶振的溫頻特性方程，利用所述步驟4)測得的溫度及所述步驟5)計算的溫度系數(shù)，計算得到晶振的頻率，并由此頻率得到秒脈沖寬度計數(shù)值，輸出秒脈沖；
[0026]7)在外部時鐘信號正常的情況下，將所述步驟2)解析得到的外部時鐘源的秒脈沖直接輸出，并測量自己輸出的秒脈沖和外部秒脈沖之間的差值，將其轉(zhuǎn)化為頻率誤差后加入到溫度系數(shù)的計算中，在下一個秒脈沖中進行溫度系數(shù)補償；在外部時鐘信號消失的情況下，將所述步驟6)計算得到的秒脈沖作為輸出，并在秒脈沖輸出時將本地世紀(jì)秒的值依次遞加，確保整個對時守時系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，通過綜合考慮外部時鐘正常和異常兩種情況，確保了 二次智能設(shè)備對時和守時的精確。
[0027]前述的步驟3)中，晶振頻率的計算公式為，/ =
[0028]其中，f為晶振頻率值，Ni, i = I, 2, 3...η為第i次秒脈沖寬度計數(shù)值,η為計數(shù)次數(shù)。
[0029]前述的步驟5)中，晶振的溫頻特性用如下公式表示:
【權(quán)利要求】
1.基于溫度補償?shù)膶r守時系統(tǒng)，其特征在于，包括以下功能模塊: 晶振模塊，所述晶振模塊通過FPGA倍頻后生成IOOMHz的頻率供時鐘輸入模塊和時鐘輸出模塊作為基準(zhǔn)頻率使用； 時鐘輸入模塊，所述時鐘輸入模塊將外部輸入的時鐘信號轉(zhuǎn)換成秒脈沖和世紀(jì)秒，所述時鐘輸入模塊用IOOMHz的頻率對外部秒脈沖的寬度計數(shù)，每秒生成一個計數(shù)結(jié)果，并傳遞給頻率測量模塊，所述時鐘輸入模塊將解析的外部秒脈沖和世紀(jì)秒傳遞給時鐘輸出模塊； 頻率測量模塊，接收時鐘輸入模塊輸出的秒脈沖寬度計數(shù)結(jié)果，計算頻率，并將頻率計算結(jié)果傳遞給溫度系數(shù)計算模塊； 溫度測量模塊，所述溫度測量模塊采用高速溫度傳感器，每I秒轉(zhuǎn)換一次溫度值，并將溫度值實時輸出給溫度系數(shù)計算模塊和秒脈沖寬度計算模塊； 溫度系數(shù)計算模塊，所述溫度系數(shù)計算模塊用以生成溫度系數(shù)序列，并對產(chǎn)生的溫度系數(shù)序列計算平均值，將最新的計算結(jié)果傳遞給秒脈沖寬度計算模塊； 秒脈沖寬度計算模塊，根據(jù)所述溫度測量模塊測量的溫度和溫度系數(shù)模塊計算的溫度系數(shù)，依據(jù)晶振的溫頻特性方程計算晶振頻率，再根據(jù)晶振頻率得到秒脈沖寬度計數(shù)值，進而輸出秒脈沖，并傳遞給時鐘輸出模塊； 時鐘輸出模塊，所述時鐘輸出模塊用以輸出世紀(jì)秒、秒脈沖，并計算測量頻率和計算頻率之間的誤差輸出至溫度系數(shù)計算模塊；所述測量頻率和計算頻率之間的誤差是指時鐘輸出模塊測量每個外部秒脈沖的寬度，并將該寬度和秒脈沖寬度計算模塊得到的秒脈沖寬度進行比較，產(chǎn)生的差值轉(zhuǎn)化為頻率差值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于溫度補償?shù)膶r守時系統(tǒng)，其特征在于，所述晶振模塊采用溫補晶振。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于溫度補償?shù)膶r守時系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)外部時鐘信號正常時，所述時鐘輸出模塊將時鐘輸入模塊解析的外部秒脈沖和世紀(jì)秒輸出，并將計算的頻率差值輸出至溫度系數(shù)計算模塊，用以在下一個秒脈沖中進行溫度系數(shù)補償；當(dāng)外部時鐘信號消失時，所述時鐘輸入模塊停止輸出，所述溫度系數(shù)計算模塊停止計算，并保持計算結(jié)果，所述時鐘輸出模塊將秒脈沖寬度計算模塊計算的秒脈沖輸出，并在秒脈沖輸出時將本地世紀(jì)秒的值依次遞加。
4.基于權(quán)利要求1所述的溫度補償?shù)膶r守時系統(tǒng)的對時守時方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)選取晶振，通過FPGA倍頻后生成IOOMHz的頻率作為基準(zhǔn)頻率使用； 2)將外部輸入的時鐘信號經(jīng)解析后轉(zhuǎn)換成秒脈沖和世紀(jì)秒，并以IOOMHz的頻率對外部秒脈沖的寬度計數(shù)，每秒生成一個計數(shù)結(jié)果； 3)根據(jù)所述步驟2)輸出的秒脈沖寬度計數(shù)結(jié)果，計算晶振頻率； 4)令高速溫度傳感器緊貼所選晶振，實時測量晶振周圍溫度； 5)根據(jù)所選晶振的溫頻特性方程，利用所述步驟4)所測得的溫度及所述步驟3)計算的晶振頻率，計算晶振的溫度系數(shù)； 6)根據(jù)所選晶振的溫頻特性方程，利用所述步驟4)測得的溫度及所述步驟5)計算的溫度系數(shù)，計算得到晶振的頻率，并由此頻率得到秒脈沖寬度計數(shù)值，輸出秒脈沖；7)在外部時鐘信號正常的情況下，將所述步驟2)解析得到的外部時鐘源的秒脈沖直接輸出，并測量自己輸出的秒脈沖和外部秒脈沖之間的差值，將其轉(zhuǎn)化為頻率誤差后加入到溫度系數(shù)的計算中，在下一個秒脈沖中進行溫度系數(shù)補償；在外部時鐘信號消失的情況下，將所述步驟6)計算得到的秒脈沖作為輸出，并在秒脈沖輸出時將本地世紀(jì)秒的值依次遞力口，以此確保整個對時守時系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，通過綜合考慮外部時鐘正常和異常兩種情況，確保了二次智能設(shè)備對時和守時的精確。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的對時守時方法，其特征在于，所述步驟3)中，晶振頻率的計算公式為，
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的對時守時方法，其特征在于，所述步驟5)中，晶振的溫頻特性用如下公式表示:
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的對時守時方法，其特征在于，所述步驟5)中，溫度系數(shù)的計算 公式為:
【文檔編號】H03K3/011GK103427793SQ201310322709
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2013年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月29日
【發(fā)明者】李友軍, 張吉, 戴欣欣, 張成彬, 羅華煜, 滕春濤 申請人:國電南瑞科技股份有限公司, 國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司