[發明專利]基于溫度補償的對時守時系統及方法

有效

• 申請號: 201310322709.9
• 申請日: 2013-07-29
• 公開（公告）號: CN103427793A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發明（設計）人: 李友軍;張吉;戴欣欣;張成彬;羅華煜;滕春濤
• 申請（專利權）人: 國電南瑞科技股份有限公司;國電南瑞南京控制系統有限公司
• 主分類號: H03K3/011
• 分類號: H03K3/011
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林;許婉靜

技術領域

本發明設計基于溫度補償的對時守時系統及方法，屬于智能變電站自動化技術領域。

背景技術

隨著智能變電站建設的深入，智能二次設備的各項指標均大幅提升。為獲得高精度的過程層采樣數據，對過程層設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不大于±1μs，在外部同步信號消失后，至少能在10min內滿足4μs同步精度要求。這就要求二次智能設備的時鐘誤差在外部時鐘正常時必須小于1μs，且在外部時鐘丟失時，能在10min的時間內保持4μs的精度。這些指標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，必須開發高精度的時鐘模塊。很多文獻在開發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高于環境溫度的高溫狀態下，使晶振的工作溫度恒定，實現頻率的穩定性。晶振在高溫下的老化速度遠高于低溫，恒溫晶振的老化將導致設備壽命大大降低，嚴重時可能導致頻率漂移造成整個時鐘系統紊亂。另外恒溫晶振的體積和成本也高于溫補晶振。故用溫補晶振開發時鐘模塊是設計的目標。

晶振固有頻率不僅與它的形狀有關，也與環境參數有關，如溫度、濕度、壓力、加速度、振動、磁場、電場、質量負載和輻射等，這些參數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、質量負載和輻射在變電站智能二次設備的設計中均有整體方案，可使其處于相對穩定環境內,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。對晶振頻率穩定性影響最大的是溫度，因此在設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鍵。

使用溫補晶振設計二次設備時鐘模塊需解決以下兩個問題：

（1）外部時鐘正常時，如何消除晶振溫度變化的影響；

（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。

發明內容

本發明的目的在于提出一種低成本高精度的對時守時系統及方法，可在保持守時精度的情況下，降低對晶振的技術指標要求。

為了實現上述目的，本發明采取的技術方案為：

基于溫度補償的對時守時系統，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100MHz的頻率供時鐘輸入模塊和時鐘輸出模塊作為基準頻率使用；

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換成秒脈沖和世紀秒，所述時鐘輸入模塊用100MHz的頻率對外部秒脈沖的寬度計數，每秒生成一個計數結果，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結果，計算頻率，并將頻率計算結果傳遞給溫度系數計算模塊；

溫度測量模塊，所述溫度測量模塊采用高速溫度傳感器，每1秒轉換一次溫度值，并將溫度值實時輸出給溫度系數計算模塊和秒脈沖寬度計算模塊；

溫度系數計算模塊，所述溫度系數計算模塊用以生成溫度系數序列，并對產生的溫度系數序列計算平均值，將最新的計算結果傳遞給秒脈沖寬度計算模塊；

秒脈沖寬度計算模塊，根據所述溫度測量模塊測量的溫度和溫度系數模塊計算的溫度系數，依據晶振的溫頻特性方程計算晶振頻率，再根據晶振頻率得到秒脈沖寬度計數值，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，產生的差值轉化為頻率差值。

前述的晶振模塊采用溫補晶振。

前述當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秒輸出，并將計算的頻率差值輸出至溫度系數計算模塊，用以在下一個秒脈沖中進行溫度系數補償；當外部時鐘信號消失時，所述時鐘輸入模塊停止輸出，所述溫度系數計算模塊停止計算，并保持計算結果，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秒的值依次遞加。

基于溫度補償的對時守時系統的對時守時方法，包括以下步驟：

1）選取晶振，通過FPGA倍頻后生成100MHz的頻率作為基準頻率使用；

2）將外部輸入的時鐘信號經解析后轉換成秒脈沖和世紀秒，并以100MHz的頻率對外部秒脈沖的寬度計數，每秒生成一個計數結果；