CN103499803B

CN103499803B - 一种提高电能表mcu内置实时时钟精度的方法

Info

Publication number: CN103499803B
Application number: CN201310408138.0A
Authority: CN
Inventors: 潘建华; 郎干勇; 李香; 朱世林; 徐振伟; 吴静; 王应娆
Original assignee: Yangzhou Wantai Electric Technology Co Ltd
Current assignee: YANGZHOU WANTAI ELECTRIC TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2033-09-09
Also published as: CN103499803A

Abstract

一种提高电能表MCU内置实时时钟精度的方法。基于实际晶振频率，进而能实现精确补偿。电能表包括MCU、晶振和电源管理单元；包括以下步骤：补偿量计算和对时钟进行校正；所述补偿量计算按以下流程进行：1）、测量实际晶振在不同温度下的频率偏差；2）、绘制温度-频率偏差曲线草图，并找出转折温度T₀；3）、分别对T₀两侧测得的频率偏差进行曲线拟合，得出对应的曲率常数，4）、按照流程3）的函数，形成一张温度-频偏函数表，根据实际环境温度，即可通过所述温度-频偏函数表得到当前温度下的频偏值，作为实际环境温度下对时钟进行校正的补偿量。本发明能根据实际晶振的误差，得出精确的补偿值，进而提高时钟精度。

Description

一种提高电能表MCU内置实时时钟精度的方法

技术领域

本发明涉及一种提高电能表MCU内置实时时钟RTC（Real-Time Clock)精度的方法。

背景技术

智能电能表作为电能计量和电费结算的计量产品，要求产品具有稳定精确的计量性能，保证用电、供电双方的利益不受损害。目前智能电能表一般都具有分时、多费率电能表，对时间精确度的要求越来越高，而日计时误差出现的问题也比较突出，国家电网公司2013年8月20日给电能表供应商发出的整改通知中在第2条“元器件环节”和第11条“设计、制造工艺环节”都重点提出了日计时误差超差问题，要求重点整改。按照国家电网公司的智能电能表的技术规范要求，电能表的日计时误差必须≤1s/d。一般采用的实时时钟有以下3种：（1）软时钟。由于晶振的不稳定性，软时钟对晶振质量的要求极高，出于成本考虑，电能表产品不可能采用价格高昂的晶振。（2）硬时钟。硬时钟同样受到晶振稳定度的影响，如早期常用的RX-8025芯片，由于没有温度补偿功能，因而时钟准确度不高。后来的RX-8025T增加了温补功能,时钟精度较高，而且时钟稳定度好，但成本较高，批量采购价为8元/只左右，2011年日本大地震后更是严重缺货。（3）混合法，即MCU内置RTC。由于成本较低，同时可通过软件对RTC误差进行校正，采用MCU内置RTC目前已经成为电能表设计的首选方案，如何提高内置RTC的时钟精度就显得异常重要。

中国专利CN102176112A提出了一种MCU内置RTC实时时钟精确计时的方法；邓乾中的硕士学位论文《自校准实时时钟RTC的研究和设计》中虽然是针对硬时钟设计提出的校正方法，但原理与中国专利CN102176112A提出的方法一样，都是将晶振频率随温度的偏差看作一条对称轴平行于Y轴的抛物线，如图6所示，这也是目前普遍采用的晶振频率误差模型，但与实际晶振频率误差有一定出入，因而校准的精度也会受到一定影响。该论文中记载“本设计采用了片上温度传感器与传统RTC结合的方案，获取片上温度信息，并校准分频链的数字校准方法，有效解决了实时时钟的晶体振荡器频率随温度发生漂移的问题，可实现标准与非标准频率的校准。”但该文献中的补偿数学模型采用了典型晶体温度-精度曲线图（该文中图3-2所示，即本发明图6所示）。由于实际晶振曲线与典型晶体温度-精度曲线之间有一定的差异（实际晶振曲线如图1所示），这样就会导致最终的补偿量不能精确对频率进行校准，最终导致计时仍会出现误差。

发明内容

本发明针对以上问题，提供了一种在基于实际晶振频率，进而能实现精确补偿的提高电能表MCU内置实时时钟精度的方法。

本发明的技术方案是：所述电能表包括MCU、晶振和电源管理单元，所述电源管理单元通过供电电路连接电池和稳压电源；

包括以下步骤：补偿量计算和对时钟进行校正；

所述补偿量计算按以下流程进行：

1）、测量实际晶振在不同温度下的频率偏差；

2）、绘制温度-频率偏差曲线草图，并找出转折温度T₀；

3）、分别对T₀两侧测得的频率偏差进行曲线拟合，得出对应的曲率常数，

3.1）、当T<T₀时，根据测量值拟合出温度与频偏函数的曲率常数K₁值，

3.2）、当T>T₀时，根据测量值拟合出温度与频偏函数的曲率常数K₂值，

3.3）、当T=T₀，Δf等于Δf₀，

得如下函数：

Δf = \{\begin{matrix} - k_{1} {(T - T_{0})}^{2} + Δ f_{0} & T > T_{0} \\ Δ f_{0} & T = T_{0} \\ - k_{2} {(T - T_{0})}^{2} + Δ f_{0} & T < T_{0} \end{matrix}

其中Δf₀=f_T0-32768Hz，f_T0为转折温度下的实际频率；

4）、按照流程3）的函数，形成一张温度-频偏函数表，根据实际环境温度，即可通过所述温度-频偏函数表得到当前温度下的频偏值，作为实际环境温度下对时钟进行校正的补偿量。

在所述供电电路中设有防电池钝化电路；所述防电池钝化电路包括电阻R1，模拟开关K1，所述电阻R1一端和所述电池正极相连，所述电阻R1另一端和所述模拟开关K1一端相连，所述模拟开关K1另一端连接所述电池负极，所述模拟开关K1处于常开状态，所述模拟开关K1的控制端接收所述MCU的一个I/O口控制信号以控制通断。

所述电阻R1取值为1-1.8KΩ。

所述MCU内设防钝化控制模块，所述防钝化控制模块按以下方法控制所述模拟开关K1的通断，

1）、在15-30天内，未发生停电，所述MCU控制所述模拟开关K1的I/O口发出高电平，使得所述模拟开关K1导通，则电池开始短暂放电，导通时间为5-15分钟；然后所述MCU的一个I/O口发出低电平，使得所述模拟开关K1断开，则电池放电结束；

2）、在15-30天内，发生停电，所述MCU控制所述模拟开关K1的I/O口一直发出低电平，使得述模拟开关K1一直处于断开状态。

晶振的工作电压为3.3V。

本发明首先是求得实际晶振频率-温度曲线，并根据该曲线非正抛物线的现状；然后，创新性地提出了将该曲线进行分段，对各段的频偏分别计算；最后，再进行补偿的技术方案。克服了现有技术中补偿后，时钟计时精度仍存在的偏离转折温度越大，偏离值越大的问题。换句话说，如按照本领域传统的补偿技术，采用典型晶体温度-精度曲线图的话，由于要照顾到转折温度两侧的温度补偿，那么在偏离转折温度越大的情况下，曲线远端的补偿精度越差。如图5所示，采用本发明技术方案的电能表体现的时钟精度为本发明的补偿后的时间偏差曲线1，近似平直的一条直线，在各温度下，均能最大限度反应出正确时值。而采用现有技术中典型曲线作为基础补偿后，会形成现有技术补偿后的时间偏差曲线一2、现有技术补偿后的时间偏差曲线二3、现有技术补偿后的时间偏差曲线三4、现有技术补偿后的时间偏差曲线四5中四种组合形式（2+3、2+4、5+3、5+4）。本发明能根据实际晶振的误差，得出精确的补偿值，进而提高时钟精度。

附图说明

图1是本发明的温度-频率偏差曲线图，

图2是本发明的RTC数字校准原理图，

图3是本发明供电电路的线路图，

图4是本发明电能表的MCU的功能结构图，

图5是本发明的所获得的RTC补偿精度与传统RTC补偿精度的比较图，

图6是现有技术的典型晶体温度-精度曲线图；

图中1是本发明的补偿后的时间偏差曲线，2是现有技术补偿后的时间偏差曲线一，3是现有技术补偿后的时间偏差曲线二，4是现有技术补偿后的时间偏差曲线三，5是现有技术补偿后的时间偏差曲线四。

具体实施方式

本发明如图1-4所示：所述电能表包括MCU、晶振和电源管理单元，所述电源管理单元通过供电电路连接电池和稳压电源；

包括以下步骤：补偿量计算和对时钟进行校正；

所述补偿量计算按以下流程进行：

1）、测量实际晶振在不同温度下的频率偏差；

2）、绘制温度-频率偏差曲线草图，并找出转折温度T₀；

3.3）、当T=T₀，Δf等于Δf₀，

得如下函数：

Δf = \{\begin{matrix} - k_{1} {(T - T_{0})}^{2} + Δ f_{0} & T > T_{0} \\ Δ f_{0} & T = T_{0} \\ - k_{2} {(T - T_{0})}^{2} + Δ f_{0} & T < T_{0} \end{matrix}

其中Δf₀=f_T0-32768Hz，f_T0为转折温度下的实际频率；

4）、按照流程3）的函数，形成一张温度-频偏函数表，根据实际环境温度，即可通过所述温度-频偏函数表得到当前温度下的频偏值，修改校正寄存器的值，进而通过校准电路，对分频电路进行补偿，作为实际环境温度下对时钟进行校正的补偿量。

所述电阻R1取值为1-1.8KΩ。

2）、在15-30天内，发生停电，所述MCU控制所述模拟开关K1的I/O口一直发出低电平，使得述模拟开关K1一直处于断开状态（防电池钝化电路不工作）。

由于在正常工作时电能表锂电池不工作，在长时间不用时，电池会进入钝化状态造成电池失压，从而当电池供电时会带来计时较大误差，国家电网公司2013年8月20日给电能表供应商发出的整改通知中在第2条“元器件环节”中首次提出了电池钝化造成电池失压问题，要求重点整改。本发明在电能表设计中增加了防电池钝化电路，电路如图3所示。电能表程序运行过程中每隔一段时间（时间的长短由电池的特性决定）通过MCU的I/O口输出高电平控制单通道双向模拟开关K1闭合，电池通过阻值为1.2K的电阻R1和模拟开关K1（型号：M74VHC1GT66DFT1G）放电，以防止电池进入钝化状态。电池放电过程中，电池上消耗的电流为3mA。放电持续时间不应过长，以防消耗过多电池电量。放电结束后，程序再将该I/O口置0使模拟开关处于断开状态，电池不再放电。通过这一功能，可最大限度避免因电池钝化带来的日计时误差。

晶振的工作电压为3.3V。

一般电能表工程师在设计时只会考虑晶振布线和芯片功耗问题，而不会考虑供电电源对时钟精度的影响。本申请人在开发过程中发现，如果本应采用低电压（3.3V）供电的晶振采用高电压供电（5V），不仅会因晶振振荡波幅度变大带来射频传导辐射幅度变大，而且也会使时钟精度降低。本发明分析了供电电源对时钟精度的影响机理，并提出了一种芯片工作电源的选取方法。

时钟精度降低具体原因分析如下：智能电能表都带有3.6V锂电池，当停电时由锂电池供电，给电能表供电以维持晶振时钟，确保计时连续。如果正常工作时晶振工作电源为5V，当停电后转为锂电池3.6V供电，晶振频率将变化1～2ppm，即0.1728s/d。由于RTC的校正寄存器存储的只是温度变化对应的校正值，因此电网供电与电池供电切换就会造成计时误差。因此，设计时晶振工作电压最好为3.3V，以便与电池供电电压一致（3.6V通过电池供电切换二极管后基本为3.3V）。V9811采用3.3V或5V单电源供电，内置3.3V稳压电路用作晶振等模拟电路工作电压，3.3V电压纹波很小，因此在功耗满足要求的情况下，采用5V电源供电，由5V电源内部稳压产生的3.3V电源供给晶振，晶振频率稳定度较用纹波相对较大的外部3.3V电源供电要好。

下面结合具体实施例进一步说明本发明：

电能表主芯片MCU采用杭州万工科技有限公司研发的V9811集成芯片，V9811功能框图如图4所示。V9811是一款低功耗高性能的单相计量SoC芯片，集成模拟前端、电能计量模块、增强型8052内核的MCU、RTC、WDT、Flash、RAM和LCD驱动等功能模块，64-LQFP封装，为单相多功能电表提供单芯片方案。V9811采用3.3V或5V单电源供电，集成起振电路和PLL，片外仅需要一只32768Hz晶振。V9811内置高性能RTC，支持温度补偿，每30s校正一次，在全温度工作范围内误差在5ppm以内。片内集成有温度测量电路，测量精度高达±1℃。

由于温度和离散性的影响，芯片正常运行时外接的32768Hz晶振的频率在不同的时间会有不同的实际振荡频率。通过温度传感器测量当前温度，根据温度曲线得出当前温度环境下RTC的补偿值，校正寄存器可以对RTC计时进行校正，减小这种差异对最终实际走时带来的影响。

V9811数据手册提供的实测的晶振频率与温度关系曲线（该手册图17-8），当晶振温度低于转折温度时的曲率明显大于晶振温度高于转折温度时的曲率，但数据手册中仍然把它当成抛物线处理。

对实际采购的晶振，我们按照V9811数据手册提供的测试方法，获得图1的曲线图，当晶振温度低于转折温度时的曲率明显小于晶振温度高于转折温度时的曲率。可见，晶振频率与温度关系曲线并不是理想的一条对称轴平行于Y轴的抛物线。具体关系曲线依采购晶振的供应商和批次有关，因此在确定晶振供应商后一般不要更换供应商，在更换供应商和不同批次采购时都必须重新进行温补校正。也就是说，对不同批次，不同供应商的晶振，都应获得实际晶振频率与温度关系曲线，作为本发明的基础。

经多批次检测，发现不同批次、供应商的晶振的曲线形状偏差客观存在的，不仅存在上下偏移的情况，即常数项Δf₀有偏差；还存在T_O偏差和曲率偏差。因此，本发明提出以转折温度T_O为界，将转折温度T_O两边的频率-温度曲线分别用不同曲线张率的抛物线函数进行逼近。

该方法大大提高了电能表时钟精度。

按照本发明技术方案试制的电能表经国网计量中心检测表明，日计时误差极小，环境温度对日记是误差的影响极小。具体实验情况如下：

1、日计时误差试验：

1）、技术条件：Q/GDW1828-20134.5.6.a)条

2）、技术条件：Q/GDW1828-20135.1.6.1条

3）、试验设备：ST9020型单向电能表检定装

4）、试验结果：

允许误差	试验结果
		+/-1s/d	0.00

5）、试验结论：符合

2、环境温度对日计时误差的影响试验:

1）、技术条件：Q/GDW1828-20134.5.6.b)条

2）、技术条件：Q/GDW1828-20135.1.6.2条

3）、试验设备：ST9020型单向电能表检定装置，SDJ/W440型步入式高低温湿热试验箱

4）、试验结果：

5）、试验结论：符合。

Claims

1.一种提高电能表MCU内置实时时钟精度的方法，所述电能表包括MCU、晶振和电源管理单元，所述电源管理单元通过供电电路连接电池和稳压电源，包括以下步骤：补偿量计算和对时钟进行校正，所述补偿量计算按以下流程进行：

1)、测量实际晶振在不同温度下的频率偏差；

2)、绘制温度-频率偏差曲线草图，并找出转折温度T₀；

3)、分别对T₀两侧测得的频率偏差进行曲线拟合，得出对应的曲率常数，

3.1)、当T<T₀时，根据测量值拟合出温度与频偏函数的曲率常数K₁值，

3.2)、当T>T₀时，根据测量值拟合出温度与频偏函数的曲率常数K₂值，

3.3)、当T＝T₀，Δf等于Δf₀，

得如下函数：

Δ f = \{\begin{matrix} - k_{1} {(T - T_{0})}^{2} + {Δf}_{0} & T > T_{0} \\ {Δf}_{0} & T = T_{0} \\ - k_{2} {(T - T_{0})}^{2} + {Δf}_{0} & T < T_{0} \end{matrix}

其中Δf₀＝f_T0-32768Hz，f_T0为转折温度下的实际频率；

4)、按照流程3)的函数，形成一张温度-频偏函数表，根据实际环境温度，即可通过所述温度-频偏函数表得到当前温度下的频偏值，作为实际环境温度下对时钟进行校正的补偿量；

其特征在于，在所述供电电路中设有防电池钝化电路；所述防电池钝化电路包括电阻R1，模拟开关K1，所述电阻R1一端和所述电池正极相连，所述电阻R1另一端和所述模拟开关K1一端相连，所述模拟开关K1另一端连接所述电池负极，所述模拟开关K1处于常开状态，所述模拟开关K1的控制端接收所述MCU的一个I/O口控制信号以控制通断。

2.根据权利要求1所述的一种提高电能表MCU内置实时时钟精度的方法，其特征在于，所述电阻R1取值为1-1.8KΩ。

3.根据权利要求1所述的一种提高电能表MCU内置实时时钟精度的方法，其特征在于，所述MCU内设防钝化控制模块，所述防钝化控制模块按以下方法控制所述模拟开关K1的通断，

1)、在15-30天内，未发生停电，所述MCU控制所述模拟开关K1的I/O口发出高电平，使得所述模拟开关K1导通，则电池开始短暂放电，导通时间为5-15分钟；然后所述MCU的一个I/O口发出低电平，使得所述模拟开关K1断开，则电池放电结束；

2)、在15-30天内，发生停电，所述MCU控制所述模拟开关K1的I/O口一直发出低电平，使得所述模拟开关K1一直处于断开状态。

4.根据权利要求1所述的一种提高电能表MCU内置实时时钟精度的方法，其特征在于，晶振的工作电压为3.3V。