专利名称：智能电表时钟校准方法
技术领域：
本发明涉及一种时钟偏差的修正方法，特别是一种智能电表时钟校准方法，主要适用于基于单片机内部定时器的万年历时钟系统。
背景技术：
随着科技的发展和社会的进步，对仪器设备提出了更高的要求，智能仪器仪表应用而生，智能仪器仪表必然包含万年历时钟系统。目前，高精度万年历时钟系统主要采用专用集成芯片来满足智能仪器的设计需求，例如采用日本的RX8025 (T)，美国的DS3231等。但是，对于大量生产需求而言却增加了采购难度和原材料成本。为此，我们基于单片机通用定时器的高精度万年历时钟系统，直接利用单片机常规资源，通过晶体特性，研发出一种工业级现场应用的高精度时钟校准方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:针对上述存在的问题提供一种智能电表时钟校准方法，直接利用单片机常规资源，实现宽范围高精度的误差修正。本发明所采用的技术方案是:智能电表时钟校准方法，其特征在于步骤如下:a、随机抽取一只电表，测得不同温度点的频率偏差值，并模拟出温度-频率偏差的二次三项式曲线方程；b、确定粗调的最小修正值，利用步骤a得到的方程计算出当前温度下的频率偏差作为补偿值，用该补偿值除以粗调最小修正值，取整作为粗调值C，取余作为细调值X ;其中粗调最小修正值的倒数N为晶体振荡器输出信号频率的M倍，M或1/M取整；C、若补偿值小于粗调最小修正值，则执行步骤g，否则执行步骤d ；d、若M为2、3、4或5，执行步骤e，否则执行步骤f ；e、内部脉冲计数器对晶体振荡器输出信号进行脉冲计数，当计满N个脉冲时，将晶体振荡器输出信号增加或减少C个脉冲，实现粗调，然后执行步骤g ；f、对晶体振荡器输出信号进行倍频或分频得到信号Ft，使得粗调最小修正值的倒数N为信号Ft频率的M倍，且M取2、3、4或5 ;内部脉冲计数器对Ft进行脉冲计数，当计满N个脉冲时，将Ft增加或减少C个脉冲，实现粗调；g、晶体振荡器输出端配置有可控电容阵列，通过理论计算和多组实践数据验证得出电容阵列的最小修正频率，然后用细调值X除以最小修正频率，取整作为需并联电容阵列中单位电容的个数R，并控制任意R个单位电容并联于晶体振荡器输出端，实现细调。完成细调后，采用100M恒温标准晶体作为频率参考，对电表输出的IHz信号进行连续采样，再利用采样出来的时间长度与标称晶体的时间长度进行比较，得到误差，并精确到0.1PPM ;将计算得到的误差作为补偿的差值，通过晶体匹配电容与频率的关系得到匹配电容阵列的排布，最后调整出准确的常温频率。校准过程中，每分钟测量一次环境温度，连续两次温度测量值的变化量小于0.55摄氏度。所述粗调最小修正值为3.815PPM，粗调最小修正值的倒数N为262144。所述晶体振荡器输出信号的频率为32768Hz ;粗调时，对晶体振荡器输出的信号进行2倍频，得到频率为65536Hz的信号Ft，内部脉冲计数器对Ft进行脉冲计数，当计满262144个脉冲时，将Ft增加或减少C个脉冲。所述电容阵列等效于128个容值为0.1289PF的单位电容并联。所述电容阵列的最小修正频率为0.31PPM。本发明的有益效果是:1、采用粗调和细调相结合的方式进行频率修正，不仅实现了较宽的修正范围，而且保证了足够高的精度，从而解决了温度对时钟计时误差的影响。2、环境温度测量值定时定量变化处理，有效防止了温度测量系统带来的暂时不可靠性。3、采用高速100M恒温晶体作为频率参考，对电能表输出的IHZ信号进行连续高频采样，再利用采样出来的时间长度与标称晶体的时间长度进行比较，计算出误差，然后根据细调原理校准晶体实际频率与标称频率的误差，从而进一步提闻了时钟校准的精度。
图1是本发明时 钟系统的电路原理示意图。图2是本发明温度-频率偏差的特性曲线。
具体实施例方式万年历时钟系统是通过IHz秒基信号按照时间60进制计数累加的，所以时间计时的精准，走的快走的慢就与IHz秒基信号的准确稳定直接相关。在电子系统中通常采取手表晶体为振荡器(32768Hz)，然后通过32768次分频得到IHz秒基信号，而在信号分频过程中由于采用高速半导体器件，几乎不会引入延时误差，所以最终日计时误差的来源主要取决于手表晶体振荡器振荡频率是否准确稳定。对于晶体而言，其频率受温度影响是最明显的，并呈现出频率偏差与温度之间的二次函数关系。经过长期的晶体应用经验表明，晶体的这种频率偏差与温度关系与晶体本身的生产制造有直接关系，也就是说在生产的时候就既定了该批被生产出来的晶体温度频率偏差特性。所以，修正晶体频率的重点也就是测量并验证出晶体的温度频率偏差特性曲线。如图1所示，本例中，时钟系统为现有技术，其中单片机采用美国美信半导体生产的TDK6542单片机，晶体采用精工生产的手表晶体(32768Hz，5ppm，ppm表示每百万单位，即parts per million),温度传感器采用飞利浦TCN75。具体校准步骤如下:a、随机抽取一只电表，在没有任何修正措施的状况下，测得不同温度点的频率偏差值如下表所示:
权利要求
1.一种智能电表时钟校准方法，其特征在于步骤如下: a、随机抽取一只电表，测得不同温度点的频率偏差值，并模拟出温度-频率偏差的二次三项式曲线方程； b、确定粗调的最小修正值，利用步骤a得到的方程计算出当前温度下的频率偏差作为补偿值，用该补偿值除以粗调最小修正值，取整作为粗调值C，取余作为细调值X ;其中粗调最小修正值的倒数N为晶体振荡器输出信号频率的M倍，M或1/M取整； C、若补偿值小于粗调最小修正值，则执行步骤g，否则执行步骤d ； d、若M为2、3、4或5，执行步骤e，否则执行步骤f; e、内部脉冲计数器对晶体振荡器输出信号进行脉冲计数，当计满N个脉冲时，将晶体振荡器输出信号增加或减少C个脉冲，实现粗调，然后执行步骤g ； f、对晶体振荡器输出信号进行倍频或分频得到信号Ft，使得粗调最小修正值的倒数N为信号Ft频率的M倍，且M取2、3、4或5 ;内部脉冲计数器对Ft进行脉冲计数，当计满N个脉冲时，将Ft增加或减少C个脉冲，实现粗调； g、晶体振荡器输出端配置有可控电容阵列，通过理论计算和多组实践数据验证得出电容阵列的最小修正频率，然后用细调值X除以最小修正频率，取整作为需并联电容阵列中单位电容的个数R，并控制任意R个单位电容并联于晶体振荡器输出端，实现细调。
2.根据权利要求1所述的智能电表时钟校准方法，其特征在于:完成细调后，采用IOOM恒温标准晶体作为频率参考，对电表输出的IHz信号进行连续采样，再利用采样出来的时间长度与标称晶体的时间长度进行比较，得到误差，并精确到0.1PPM ;将计算得到的误差作为补偿的差值，通过晶体匹配电容与频率的关系得到匹配电容阵列的排布，最后调整出准确的常温频率。
3.根据权利要求1或2所述的智能电表时钟校准方法，其特征在于:校准过程中，每分钟测量一次环境温度，连续两次温度测量值的变化量小于0.55摄氏度。
4.根据权利要求1或2所述的智能电表时钟校准方法，其特征在于:所述粗调最小修正值为3.815PPM，粗调最小修正值的倒数N为262144。
5.根据权利要求4所述的智能电表时钟校准方法，其特征在于:所述晶体振荡器输出信号的频率为32768Hz ;粗调时，对晶体振荡器输出的信号进行2倍频，得到频率为65536Hz的信号Ft，内部脉冲计数器对Ft进行脉冲计数，当计满262144个脉冲时，将Ft增加或减少C个脉冲。
6.根据权利要求1或2所述的智能电表时钟校准方法，其特征在于:所述电容阵列等效于128个容值为0.1289PF的单位电容并联。
7.根据权利要求6所述的智能电表时钟校准方法，其特征在于:所述电容阵列的最小修正频率为0.31PPM。
全文摘要
本发明涉及智能电表时钟校准方法。本发明目的提供智能电表时钟校准方法，利用单片机常规资源实现宽范围高精度误差修正。本发明技术方案a、测得不同温度点的频率偏差值，模拟温度-频率偏差曲线；b、确定粗调的最小修正值，利用步骤a得到的方程计算出当前温度下的频率偏差作为补偿值；c、若补偿值小于粗调最小修正值，则执行步骤g，否则执行步骤d；d、若M为2、3、4或5，执行步骤e，否则执行步骤f；e、内部脉冲计数器对晶体振荡器输出信号进行脉冲计数，粗调，然后执行步骤g；f、对晶体振荡器输出信号进行倍频或分频得到信号Ft；g、晶体振荡器输出端配置有可控电容阵列。
文档编号G04G3/00GK103176400SQ20131001337
公开日2013年6月26日 申请日期2013年1月14日 优先权日2013年1月14日
发明者周良璋, 舒元康, 郑有波 申请人:杭州海兴电力科技股份有限公司