智能電表中的實(shí)時(shí)鐘校準(zhǔn)研究

在智能電表中，結(jié)算方式已經(jīng)由原有的電量結(jié)算轉(zhuǎn)換為金額結(jié)算，并且費(fèi)率模式也較以往的電表更為復(fù)雜，這些需求對(duì)智能電表中的實(shí)時(shí)鐘（Real Time Clock，RTC）提出了更高的要求。而眾所周知，影響實(shí)時(shí)鐘精度的主要原因?yàn)榫w的溫度偏差，晶體的溫度曲線(xiàn)接近二次曲線(xiàn)，因此用二次曲線(xiàn)校正的方法，可修正晶體的溫度偏差，從而提升智能電表的實(shí)時(shí)鐘精度。

1 引言

在國(guó)內(nèi)使用的智能電表都具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，要求其在工作溫度范圍內(nèi)精度滿(mǎn)足小于 1 s/day（11.5 ppm），在 23 ℃ 時(shí)滿(mǎn)足小于 0.5 s/day（ppm）實(shí)際應(yīng)用中還要考慮到晶體的老化及校準(zhǔn)誤差等因素影響[1-6]， RTC 時(shí)鐘誤差在廠(chǎng)家校準(zhǔn)應(yīng)該至少做到 8 ppm 以下。

目前智能電表的 RTC 校準(zhǔn)一般有 2 種方式。

（1）采用外置帶溫度補(bǔ)償?shù)?RTC，如 EPSON 的 RX8025T，其校準(zhǔn)是由芯片廠(chǎng)家出廠(chǎng)前根據(jù)多溫度點(diǎn)測(cè)試校準(zhǔn)好的，電表廠(chǎng)家不需要校準(zhǔn)，這種方式由于成本因素本應(yīng)逐漸退出智能電表領(lǐng)域[7,8]。行業(yè)普遍應(yīng)用的是單溫度點(diǎn)校準(zhǔn)方法，這種方法雖然不能保證每個(gè)電表的 RTC 精度都是合格的，所以仍占有較大市場(chǎng)份額。

（2）主控制器內(nèi)置 RTC，如復(fù)旦微的 FM3318，其 RTC 的校準(zhǔn)是只進(jìn)行常溫下單點(diǎn)校準(zhǔn)，二次曲線(xiàn)系數(shù)是根據(jù) 32 768 Hz 晶體的批量數(shù)據(jù)預(yù)制的，每批電表都使用相同之處的系數(shù)[9-13]。

頻率為 32 768 Hz 晶體的溫度曲線(xiàn)如圖 1，接近二次曲線(xiàn)，這種單溫度點(diǎn)校準(zhǔn)相當(dāng)于β和 T0 使用固定值，只校準(zhǔn) S0[14,15]。根據(jù)晶體廠(chǎng)家提供的參數(shù)，β一般為 0.035±0.0012 ppm，T0 為 23±2 ℃。

根據(jù)二次曲線(xiàn) ，假如β為 0.035，和預(yù)制值一致，T0 預(yù)置 23 與實(shí)際值偏差 2 ℃ 時(shí)，并且考慮到溫度誤差 0.5℃，在溫度-25 ℃ Y的偏差分別為 8.6 ppm，在工作溫度 -40 ℃ 和 85 ℃ 時(shí)達(dá)到 -11 ppm. 這幾個(gè)偏差值還不包括晶體實(shí)際曲線(xiàn)與二次曲線(xiàn)的偏差β及校準(zhǔn)偏差以及晶體本身的老化影響。

從上面數(shù)據(jù)可以看出采用單點(diǎn)校準(zhǔn)方法一定會(huì)導(dǎo)致部分 RTC 在高低溫下超差。另一個(gè)影響 RTC 運(yùn)行中精度的重要因素是晶體自身的年老化率，按照晶體廠(chǎng)家提供的數(shù)據(jù)，第一年晶體的最大老化率有±3 ppm，以后每年約±1ppm，按照電表能夠使用 10 年的要求，由于晶體老化的影響，智能電表 5 年后就有可能不滿(mǎn)足 23 ℃ 時(shí) RTC 誤差小于 0.5 s/day 的要求。而此年老化率的影響是正負(fù)都有可能，無(wú)法在生產(chǎn)校準(zhǔn)中解決。

2 通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到晶體的溫度曲線(xiàn)

困擾智能電表行業(yè)多年的一個(gè)難題，即采用 SoC 方案的智能電表的 RTC，如果采用單溫度點(diǎn)校準(zhǔn)法，能滿(mǎn)足量產(chǎn)化需求，卻無(wú)法保證每個(gè)表的 RTC 精度都合格。采用三溫度點(diǎn)校準(zhǔn)發(fā)，能保證電表 RTC 精度合格，但卻由于校準(zhǔn)時(shí)間長(zhǎng)無(wú)法量產(chǎn)。為了更好地解決這一問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納出了RTC 的精度受晶體頻率影響的曲線(xiàn)，如表 1 所示。

通過(guò)測(cè)試多組 RTC 未校準(zhǔn)前的精度受溫度影響數(shù)據(jù)，根據(jù)圖 1 中的數(shù)據(jù)描出溫度與精度曲線(xiàn)，可以得到 1 個(gè)近似的二次曲線(xiàn) y=ax3+bx2+cx+d，β為二次項(xiàng)系數(shù)，T0 為頂點(diǎn)溫度，S0 為常數(shù)。按表 1 數(shù)據(jù)擬合出的曲線(xiàn)中，β為 -0.0343，T0 為 23.3，S0 為 12.52。選擇不同的溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合曲線(xiàn)的 β 和 T0 值并不一致，且變化范圍也有所不同。采用 3 溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合二次曲線(xiàn)的方法得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表 2。

從數(shù)據(jù)中明顯可見(jiàn)：采用不同的溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合出來(lái)的二次曲線(xiàn)的系數(shù)明顯不同。前 4 組溫度點(diǎn)擬合出來(lái)的β值與多點(diǎn)擬合時(shí)的β值相差較小，但 T0 的變化范圍相對(duì)較大。

實(shí)測(cè) -40 ℃ 到 85 ℃ 誤差數(shù)據(jù)得到與擬合的二次曲線(xiàn)的差值曲線(xiàn)，可見(jiàn)溫度對(duì)頻率影響曲線(xiàn)還應(yīng)該包含三次或更高次項(xiàng)，因此得到根據(jù)差值曲線(xiàn)擬合的三次曲線(xiàn) y=ax3+bx2+cx+d，或四次擬合曲線(xiàn) y=hx4+ax3+bx2+cx+d

根據(jù)表 1 中的差值數(shù)據(jù)可以得到式 1。

（1）

采用不同的溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合出來(lái)的二次曲線(xiàn)的系數(shù)明顯不同的原因就是此三次曲線(xiàn)或更高次曲線(xiàn)影響引起的。

可見(jiàn)，若要實(shí)現(xiàn)全溫度范圍內(nèi)的高精度 RTC，必須要對(duì)二次曲線(xiàn)和三次或更高次曲線(xiàn)都進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)曲線(xiàn)公式，可以看出，若要準(zhǔn)確校準(zhǔn) RTC至少需要五個(gè)溫度點(diǎn)，這在電表批量生產(chǎn)時(shí)是不現(xiàn)實(shí)的。 可是，在三溫度點(diǎn)擬合二次曲線(xiàn)前，如果先把三次曲線(xiàn)的影響補(bǔ)償了，再進(jìn)行擬合，得到的二次曲線(xiàn)系數(shù)很接近，見(jiàn)表 2 中進(jìn)行三次修正后擬合的數(shù)據(jù)。

3 兩點(diǎn)校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)

選擇適合的校準(zhǔn)點(diǎn)，確定溫度對(duì)頻率影響曲線(xiàn)中的二次項(xiàng)系數(shù) β，實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)校準(zhǔn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)，同一型號(hào)的晶體，從批量測(cè)試數(shù)據(jù)得到二次曲線(xiàn)中β的變化范圍較小，見(jiàn)表 3。

為此我們可以根據(jù)選定型號(hào)的晶體，選擇適合測(cè)試及校準(zhǔn)溫度點(diǎn)，固定β值，只進(jìn)行 2 溫度點(diǎn)測(cè)試及校準(zhǔn) T0 或 S0，選取的校準(zhǔn)溫度點(diǎn)需要滿(mǎn)足 2 個(gè)特征:此溫度點(diǎn)便于操作，且最好是正常電表生產(chǎn)工藝中使用的溫度點(diǎn)，此溫度點(diǎn)下，β的變化范圍較小，選取的溫度點(diǎn)能夠兼顧常溫和高低溫。

根據(jù)擬合的三次曲線(xiàn)（四次曲線(xiàn)或更高次曲線(xiàn)方法類(lèi)似）。

（2）

根據(jù)對(duì)其求導(dǎo)后的公式，可以得到變化率最小的溫度點(diǎn)。

（3）

x =22.2±32.5

x1=54.7， x2=-10.3

選定溫度點(diǎn)后，在選定溫度點(diǎn)重新按擬合，擬合時(shí)數(shù)據(jù)去除偏差影響值，批量測(cè)試同一型號(hào)晶體，各晶體的β和 T0 都在表 4 范圍內(nèi)。

4 通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)總結(jié)出的 RTC 校準(zhǔn)方法

（1）校準(zhǔn)溫度點(diǎn)的選擇，綜合考慮電表的一般生產(chǎn)工藝過(guò)程及溫度點(diǎn)與 β的關(guān)系，選擇特定校準(zhǔn)溫度點(diǎn) T1 和 T2。

（2）確定所選型號(hào)晶體的β值，選擇五溫度點(diǎn)測(cè)試 RTC 誤差，得到 4 個(gè)電表的β值，將β的平均值作為此型號(hào)晶體的固定系數(shù)，每個(gè)電表都采用此固定系數(shù)。

（3）確定所選型號(hào)晶體按照二次曲線(xiàn)補(bǔ)償后的頻率溫度特性實(shí)測(cè)值與二次曲線(xiàn)的偏差 E’，采用較二次曲線(xiàn)更高次項(xiàng)的曲線(xiàn)擬合該偏差 E’，該擬合曲線(xiàn)，得到各溫度點(diǎn)的曲線(xiàn)偏差值 E，這個(gè)值為晶體按二次曲線(xiàn)校準(zhǔn)后殘存的偏差值，制作偏差值 E 與溫度 X 或偏差值 E 與晶體計(jì)時(shí)誤差Y 的對(duì)應(yīng)表格。

（4）RTC 的β值與各溫度點(diǎn)的偏差值 E 通過(guò)通信接口預(yù)置到電表中，每個(gè)電表在正常生產(chǎn)中，都進(jìn)行兩溫度點(diǎn)校準(zhǔn)。

（5）每個(gè)智能電表在生產(chǎn)中，收到啟動(dòng)測(cè)量溫度點(diǎn) RTC 誤差命令后，首先關(guān)閉 RTC 的溫度補(bǔ)償功能，啟動(dòng)溫度測(cè)量。

（6）根據(jù)溫度測(cè)量值判斷電表溫度已經(jīng)進(jìn)入預(yù)定溫度的允許范圍內(nèi)后，然后進(jìn)行步驟（7）。

（7）通過(guò)主控制器的計(jì)時(shí)單元測(cè)量外部輸入的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，計(jì)時(shí)時(shí)間 Tj 需要保證計(jì)時(shí)分辨率達(dá)到 0.1 ppm/s，由計(jì)時(shí)單元測(cè)量 Tj 得到晶體計(jì)時(shí)誤差測(cè)量值 Tb，Tb1、Tb2、Tb3。

（8）在每次計(jì)時(shí)的同時(shí)，主控制器需要測(cè)量多個(gè)溫度值。去掉最大值、最小值后取溫度平均值 W。不同時(shí)刻 Tb1、Tb2、Tb3 分別對(duì)應(yīng)平均值 W1、W2、W3，取中間一組對(duì)應(yīng)值作為后面計(jì)算用值，Tb 記為 Y1，W 記為 X1，并存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器之中。

（9）測(cè)量高溫點(diǎn)的誤差及溫度，與常溫不同的是，判斷電表溫度已經(jīng)進(jìn)入預(yù)定溫度的允許范圍內(nèi)后，再連續(xù)判斷 3～5 分鐘，保證電表溫度進(jìn)入比較穩(wěn)定狀態(tài)。

（10）執(zhí)行步驟（7）和（8），得到高溫點(diǎn)的一組值 Y2 和 X2。

（11）由主控制器解方程計(jì)算得到 T0 、S0 ，其β為已知固定值。

Y1=β（X1- T0）×2+ S0

Y2=β（X2- T0）×2+ S0

（12）根據(jù)得到的 T0 、S0 及β，進(jìn)行 RTC 校準(zhǔn)，并啟動(dòng)溫度補(bǔ)償。

（13）根據(jù)對(duì)應(yīng)表格確定不同溫度 X 或晶體計(jì)時(shí)誤差 Y 的偏差值 E，計(jì)算得到該溫度 X 或晶體計(jì)時(shí)誤差 Y 對(duì)應(yīng)的 S0 補(bǔ)償后的值 S0’。

S0’= S0+E

（14）具體分兩類(lèi)：若 RTC 為自動(dòng)補(bǔ)償將 T0 、S0 ，β數(shù)據(jù)寫(xiě)到補(bǔ)償控制寄存器，RTC 不支持更高次項(xiàng)補(bǔ)償，則需要計(jì)算出高次項(xiàng)影響偏差值 E，根據(jù)此值調(diào)整 S0。若為非自動(dòng)模式的，則計(jì)算得到偏差值 E 作為補(bǔ)償值寫(xiě)到補(bǔ)償控制寄存器。

（15）由主控制器測(cè)量補(bǔ)償結(jié)果，保證補(bǔ)償后的 RTC 誤差在 1 ppm 以下。

（16）未達(dá)到預(yù)定補(bǔ)償結(jié)果的在電表的 LCD 屏上顯示異常代碼，作為維修指示，補(bǔ)償成功的顯示校準(zhǔn)正常代碼。

校準(zhǔn)溫度點(diǎn) T1 和 T2 分別為常溫點(diǎn) 23 ℃ 和高溫點(diǎn) 56 ℃ 附近。晶體老化過(guò)程中還包括：逐個(gè)比較若干個(gè)時(shí)間間隔之后，平均溫度接近的 RTC 相對(duì)誤差差值 ?S0。將 ?S0 與設(shè)定門(mén)限比較，若兩個(gè)時(shí)間間隔間的?S0 超過(guò)設(shè)定門(mén)限，根據(jù) RTC 相對(duì)誤差，計(jì)算出晶體頻率變化數(shù)據(jù)，修改 S0。

擬合曲線(xiàn)為三次擬合曲線(xiàn)：

y=ax3+bx2+cx+d

采用五個(gè)溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì) a，b，c，d 進(jìn)行標(biāo)定。

擬合曲線(xiàn)也可為四次擬合曲線(xiàn)：

y=hx4+ax3+bx2+cx+d

采用六個(gè)溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì) h，a，b，c，d 進(jìn)行標(biāo)定。

由管理主站讀取每個(gè)電表的補(bǔ)償系數(shù)及校準(zhǔn)后的 RTC 精度，并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)故障表提示，由維修人員進(jìn)行單獨(dú)處理。晶體計(jì)時(shí)誤差 Y 的單位為 ppm。批量生產(chǎn)中不進(jìn)行上述（1）、（2）、（3）步驟。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，歸納出相應(yīng)的方法。經(jīng)過(guò)大量的驗(yàn)證，提升了原來(lái)在智能電表中實(shí)時(shí)鐘的校準(zhǔn)方法。目前這種方法已經(jīng)得到了批量推廣，由此節(jié)省了人力和物力，為智能表計(jì)的生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙東艷，周芝梅，王于波，張海峰.一種基于累積誤差控制的RTC補(bǔ)償算法及電路[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（12）:66-68.

[2] 鄧乾中.自校準(zhǔn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC的研究和設(shè)計(jì)[D].湖北：華中科技大學(xué),2008.

[3] 張昭.一種溫度補(bǔ)償晶體振蕩器芯片的設(shè)計(jì)[D].四川：四川大學(xué),2006.

[4] 孫婧瑤,何宇,李雪梅.一種針對(duì)RTC應(yīng)用的數(shù)字溫度補(bǔ)償晶體振蕩器[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(01):77-80.

[5] 王躍,張晰泊,王彬,高清運(yùn).用于RTC的32.768 kHz晶振電路的設(shè)計(jì)[J].南開(kāi)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007(02):95-98.

[6] J.A.Homberg.A Universal 0.03-mm2 One-Pin Crystal Oscillator in CMOS[J].IEEE Journal of Solid State Circuits,1999.

[7] 梁世清，包海泉，季海濤，何崢嶸.內(nèi)置RTC作為電能表計(jì)時(shí)鐘的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表，2012，33（01）:76-78.

[8] 謝修祥,王廣生.異步多時(shí)鐘系統(tǒng)的同步設(shè)計(jì)技術(shù)[J].電子工程師,2005(05):33-37.

[9] 朱永峰,陸生禮,茆邦琴.SoC設(shè)計(jì)中的多時(shí)鐘域處理[J].電子工程師,2003(11):60-63.

[10] 劉志斌,張持健.嵌入式系統(tǒng)中高精度晶體振蕩器及其應(yīng)用分析[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用, 2014,23(05):222-226.

[11] 楊驍,齊騁,王亮,凌朝東.一種低相位噪聲CMOS晶體振蕩器的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué), 2012,42(05):642-645.

[12] 武振宇,馬成炎,葉甜春.一種低功耗快速起振晶體振蕩器[J].微電子學(xué),2010,40

(01):45-49.

[13] PhillipE.Allen，DouglasR.Holberg.CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[14] 李浩,蘭鐵巖.實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片RTC4553原理及應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表,2003(08):38-41.

[15] 程雯,戎蒙恬,李萍.用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘的32.768 kHz晶振電路分析與設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù),2009, 33(01):15-17.