一种智能电表RTC校准方法技术

本发明专利技术公开了智能电表领域的一种RTC校准方法，其通过给电表输入一个标准的时钟信号的方式，由电表主控制器通过测量、计算得到特定温度点RTC偏差，然后根据偏差计算RTC晶体温度影响的近似2次曲线系数顶点温度T0和顶点偏差S0，得到校准值。在智能电表的生产过程中实现了电表的RTC的温度校准，可以保证每个智能电表的RTC精度在工作温度范围内高于行业标准的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种智能电表RTC校准方法
本专利技术涉及智能电表领域的一种智能电表RTC校准方法。
技术介绍
在国内使用的智能电表都具有实时时钟，根据行业标准，要求其在工作温度范围内精度满足小于1S/DAY(11.5PPM)，在23℃时满足小于0.5S/DAY(PPM)实际应用中还要考虑到晶体的老化及校准误差等因素影响，RTC时钟误差在厂家校准应该至少做到8PPM以下。目前智能电表的RTC校准一般有两种方式：1、采用外置带温度补偿的RTC，如EPSON的RX8025T，其校准是由芯片厂家出厂前根据多温度点测试校准好的，电表厂家无需校准；这种方式由于成本因素本应逐渐退出智能电表领域，但由于行业普遍应用的单温度点校准方法不能保证每个电表的RTC精度都是合格的，所以仍占有较大市场份额。另一种是主控制器内置RTC，如复旦微的FM3308，其RTC的校准是只进行常温下单点校准，二次曲线系数是根据32.768KHZ晶体的批量数据预制的，每批电表都使用相同之处的系数。32K晶体的温度曲线如下图1，接近二次曲线y＝β(x-T0)2+S0这种单温度点校准相当于β和T0使用固定值，只校准S0。根据晶体厂家提供的参数，β一般为0.035±0.0012PPM，T0为23±2℃。根据二次曲线y＝β(x-T0)2+S0，假如β为0.035，和预制值一致，T0预置23与实际值偏差2℃时，并且考虑到温度误差0.5℃，在温度-25℃Y的偏差分别为8.6PPM，在工作温度-40和85℃时达到-11PPM.这几个偏差值还不包括晶体实际曲线与二次曲线的偏差β及校准偏差以及晶体本身的老化影响。从上面数据可以看出采用单点校准方法一定会导致部分RTC在高低温下超差。另一个影响RTC运行中精度的重要因素是晶体自身的年老化率，按照晶体厂家提供的数据，第一年晶体的最大老化率有±3PPM，以后每年约±1PPM，按照电表能够使用10年的要求，由于晶体老化的影响，智能电表5年后就有可能不满足23℃时RTC误差小于0.5S/DAY的要求。而此年老化率的影响是正负都有可能，无法在生产校准中解决。为此，本专利技术提出一种新的校准方法，通过此方法在电表上使用，可以实现RTC在全温度范围内都具有很好的精度，并且在10年的使用寿命内可以一直符合相关标准的要求。
技术实现思路
本专利技术是提出了一种新的智能电表RTC的校准方法，解决了困扰智能电表行业多年的一个难题，即采用SOC方案的智能电表的RTC单温度点校准法中存在的无法保证每个表的RTC精度都合格的问题，并且这种方法可以融入智能电表的正常生产工艺中，能够满足大批量生产的要求(三温度点校准无法量产)；本专利技术还提出了智能电表RTC的温度补偿方法，对RTC的三次项影响也进行补偿，保证RTC的全温度范围内的高精度。不仅如此，本专利技术还提出了一种消除智能电表RTC部分的年老化影响的方法。一、通过实验数据，归纳出RTC的精度受频率影响曲线一组典型的实验数据见下表1通过测试多组RTC未校准前的精度受温度影响数据，根据数据拟合出温度与精度曲线(图1)，可以得到1个近似的二次曲线y＝β(x-T0)2+S0，β为二次项系数，T0为顶点温度，S0为常数(顶点温度时y的偏差)。按上表数据拟合出的曲线中，β为-0.0343，T0为23.3，S0为12.52；选择不同的温度点数据拟合曲线的β和T0值并不一致，且变化范围也有所不同。采用3温度点数据拟合二次曲线的方法得到的数据见下表2。从数据中明显可见：采用不同的温度点数据拟合出来的二次曲线的系数明显不同；前4组温度点拟合出来的β值与多点拟合时的β值相差较小，但T0的变化范围相对较大。实测-40到85度误差数据得到与拟合的二次曲线的差值曲线，可见温度对频率影响曲线还应该包含三次或更高次项，因此得到根据差值曲线拟合的三次曲线：y＝ax3+bx2+cx+d；或四次拟合曲线y＝hx4+ax3+bx2+cx+d根据表1中的差值数据可以得到：y＝-0.000042x3+0.00280x2+0.071x-2.554采用不同的温度点数据拟合出来的二次曲线的系数明显不同的原因就是此三次曲线或更高次曲线影响引起的。可见，若要实现全温度范围内的高精度RTC，必须要对二次曲线和三次或更高次曲线都进行校准。根据曲线公式，可以看出，若要准确校准RTC至少需要五个温度点，这在电表批量生产时是不现实的。可是，在三温度点拟合二次曲线前，如果先把三次曲线的影响补偿了，再进行拟合，得到的二次曲线系数很接近，见表2中进行三次修正后拟合的数据。二、选择适合的校准点，确定温度对频率影响曲线中的二次项系数β，实现2点校准。通过实验总结，同一型号的晶体，从批量测试数据得到二次曲线中β的变化范围较小。见下表3晶体β(PPM)T0(℃)KDS-0.0353±0.00822.2±1.6精工-0.0342±0.00823.2±1.8为此我们可以根据选定型号的晶体，选择适合测试及校准温度点，固定β值，只进行2温度点测试及校准T0或S0选取的校准温度点需要满足2个特征：此温度点便于操作，且最好是正常电表生产工艺中使用的温度点，此温度点下，β的变化范围较小，选取的温度点能够兼顾常温和高低温。根据拟合的三次曲线(四次曲线或更高次曲线方法类似)y＝-0.000042x3+0.00280x2+0.071x-2.554根据对其求导后的公式，可以得到变化率最小的温度点0＝-0.000126x2+0.0056x+0.071X＝22.2±32.5X1＝54.7X2＝-10.3选定温度点后，在选定温度点重新按拟合，拟合时数据去除偏差影响值，批量测试同一型号晶体，各晶体的β和T0都在下表范围内。晶体β(PPM)T0(℃)KDS-0.0353±0.00522.2±1.6精工-0.0342±0.00523.2±1.8从数据中可见，同一型号的晶体β值一致性较好，而顶点温度T0变化较大。为此我们可以根据选的的晶体型号，校准时使用固定β值。电表在批量生产中，没有低温下的生产工序，而有高温老化走字的生产工序，所以选择校准温度点T1和T2分别为常温点23度和高温点56度附近。三、确定RTC按二次曲线拟合后与实测数据的差值，得到差值的三次或者四次拟合曲线。典型数据见表1中实测值与理论值的差值PPM部分。拟和曲线为三次拟合曲线：y＝ax3+bx2+cx+d采用五个温度点数据对a，b，c，d进行标定。拟和曲线也可为四次拟合曲线：y＝hx4+ax3+bx2+cx+d采用六个温度点数据对h，a，b，c，d进行标定。x为温度值，y为X温度下二次曲线拟合后数据与实测数据的差值。标定后，得到各温度点的曲线偏差值E，生成差值表格，同一型号晶体使用相同数据。批量生产中不进行上述(一)、(二)、(三)步骤。四、提供一种RTC校准方法，其特征在于包括如下步骤：(1)校准温度点的选择，综合考虑电表的一般生产工艺过程及温度点与β的关系，选择特定校准温度点T1和T2；(2)确定所选型号晶体的β值，选择五温度点测试RTC误差，得到4块电表的β值，将β的平均值作为此型号晶体的固定系数，每块电表都采用此固定系数；(3)确定所选型号晶体按二次曲线补偿后的频率温度特性实测值与二次曲线的偏差E’，采用较二次曲线更高次项的曲线拟合该偏差E’，由该拟本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种RTC校准方法，其特征在于包括如下步骤：(1)校准温度点的选择，综合考虑电表的一般生产工艺过程及温度点与β的关系，选择特定校准温度点T1和T2；(2)确定所选型号晶体的β值，选择五温度点测试RTC误差，得到4块电表的β值，将β的平均值作为此型号晶体的固定系数，每块电表都采用此固定系数；(3)确定所选型号晶体按二次曲线补偿后的频率温度特性实测值与二次曲线的偏差E’，采用较二次曲线更高次项的曲线拟合该偏差E’，由该拟和曲线得到各温度点的曲线偏差值E，该值为晶体按二次曲线校准后残存的偏差值，制作偏差值E与温度X或偏差值E与晶体计时误差Y的对应表格；(4)RTC的β值与各温度点的偏差值E通过通讯接口预置到电表中，每块电表在正常生产中，都进行两温度点校准；(5)每块电表在生产中，收到启动测量温度点RTC误差命令后，首先关闭RTC的温度补偿功能，启动温度测量；(6)根据温度测量值判断电表温度已经进入预定温度T1的允许范围内后，然后进行步骤(7)；(7)通过主控制器的计时单元测量外部输入的标准时钟，由计时单元测量计时时间Tj得到晶体计时误差测量值Tb，记为Tb1、Tb2、Tb3；(8)在每次计时的同时主控制器需要测量多个温度值，去掉最大值、最小值后取温度平均值W，不同时刻Tb1、Tb2、Tb3分别对应平均值W1、W2、W3，取中间一组对应值作为后面计算用值，Tb记为Y1，W记为X1，并存储到存储器中；(9)测量高温温度点T2的晶体计时误差及温度，与常温不同的是，判断电表温度已经进入预定温度的允许范围内后，再连续判断3‑5分钟，保证电表温度进入比较稳定状态；(10)执行步骤(7)和(8)，得到高温点的一组值Y2’和X2，Y2’中包含高次项影响偏差E，查表获得温度X2或晶体计时误差Y2’对应的偏差值E2，去掉这个偏差值得到Y2；(11)由主控制器解方程计算得到T0、S0，其β为已知固定值Y1＝β(X1‑T0)2+S0Y2＝β(X2‑T0)2+S0(12)根据得到的T0、S0及β，进行RTC校准，并启动温度补偿；(13)根据对应表格确定不同温度X或晶体计时误差Y的偏差值E，计算得到该温度X或晶体计时误差Y对应的S0补偿后的值S0’，S0’＝S0+E；(14)具体分两类：若RTC为自动补偿将T0、S0，β数据写到补偿控制寄存器，RTC不支持更高次项补偿，需要计算出高次项影响偏差值E，根据此值调整S0；若为非自动模式的，则计算得到偏差值E作为补偿值写到补偿控制寄存器；(15)由主控制器测量补偿结果，保证补偿后的RTC误差在1PPM以下；(16)未达到预定补偿结果的在电表的LCD屏上显示异常代码，作为维修指示，补偿成功的显示校准正常代码。...

【技术特征摘要】
1.一种RTC校准方法，其特征在于包括如下步骤：(1)校准温度点的选择，综合考虑电表的一般生产工艺过程及温度点与β的关系，选择特定校准温度点T1和T2；(2)确定所选型号晶体的β值，选择五温度点测试RTC误差，得到4块电表的β值，将β的平均值作为此型号晶体的固定系数，每块电表都采用此固定系数；(3)确定所选型号晶体按二次曲线补偿后的频率温度特性实测值与二次曲线的偏差E’，采用较二次曲线更高次项的曲线拟合该偏差E’，由该拟合曲线得到各温度点的曲线偏差值E，偏差值E为晶体按二次曲线校准后残存的偏差值，制作偏差值E与温度X或偏差值E与晶体计时误差Y的对应表格；(4)RTC的β值与各温度点的偏差值E通过通讯接口预置到电表中，每块电表在正常生产中，都进行两温度点校准；(5)每块电表在生产中，收到启动测量温度点RTC误差命令后，首先关闭RTC的温度补偿功能，启动温度测量；(6)根据温度测量值判断电表温度已经进入预定温度T1的允许范围内后，然后进行步骤(7)；(7)通过主控制器的计时单元测量外部输入的标准时钟，由计时单元测量计时时间Tj得到晶体计时误差测量值Tb，记为Tb1、Tb2、Tb3；(8)在每次计时的同时主控制器需要测量多个温度值，去掉最大值、最小值后取温度平均值W，不同时刻Tb1、Tb2、Tb3分别对应平均值W1、W2、W3，取中间一组对应值作为后面计算用值，Tb记为Y1，W记为X1，并存储到存储器中；(9)测量高温温度点T2的晶体计时误差及温度，与常温不同的是，判断电表温度已经进入预定温度的允许范围内后，再连续判断3-5分钟，保证电表温度进入稳定状态；(10)执行步骤(7)和(8)，得到高温点的一组值Y2’和X2，Y2’中包含高次项影响偏差E，查表获得温度X2或晶体计时误差Y2’对应的偏差值E2，去掉这个偏差值得到Y2；(11)由主控制器解方程计算得到T0、S0，其β为已知固定值Y1＝β(X1-T0)2+S0Y2＝β(X2-T0)2+S0(12)根据得到的T0、S0及β，进行RTC校准，并启动温度补偿；(13)根据对应表格确定不同温度X或晶体计时误差Y的偏差值E，计算得到该温度X或晶体计时误差Y对应的S0补偿后的值S0’，S0’＝S0+E；(14)具体分两类：若RTC为自动补偿将T0、S0，β数据写到补偿控制寄存器，RTC不支持更高次项补偿，需要计算出高次项影响偏差值E，根据此值调整S0；若为非自动模式的，则计算得到偏差值E作为补偿值写到补偿控制寄存器；(15)由主控制器测量补偿结果，保证补偿后的RTC误差在1PPM以下；(16)未达到预定补偿结果的在电表的LCD屏上显示异常代码，作为维修指示，补偿成功的显示校准正常代码。2.如权利要求1所述的RTC校准方法，其特征在于校准温度点T1和T2分别为常温点23度和高温点56度附近。3.如权利要求1所述的RTC校准方法，其特征在于电表在正常运行过程中还进行品体老化校准，包括以下步骤：(17)RTC与系统时钟同步，智能电表在开始运行阶段，稳定运行一段时间后，如果收到校时命令，则更新电表时钟，记录下校时时间作为时间间隔的起点，此时时钟误差是0；(18)在时间间隔周期内，收到系统校时命令后，电表并不更新RTC内部时间，而是计算出时间偏差值ΔSEC，并将RTC内部时间加上ΔSEC得到电表应用时间，此电表应用时间作为智能电表时间，运行时间满足时间间隔周期后，记录下系统校时时间作为时间间隔的结束点，并更新RTC内部时间与系统时钟同步，此结束点系统时间与RTC内部时间差值即为时间误差差值；(19)统计每个时间间隔的时间误差差值，并记录下每个时间间隔实际时间；(20)统计每个时间间隔内的平均温度；(21)每个时间间隔的RTC相对误差与时间间隔内的平均温度对应存储起来；(22)逐个比较若干个时间间隔之后，平均温度接近的RTC相对误差差值ΔS0，将ΔS0与设定门限比较，若两个时间间隔间的ΔS0超过设定门限，根据RTC相对误差，计算出晶体频率变化数据；(21)修改S0将晶体老化值补偿过来；(22)重新进入开始步骤(17)。4.如权利要求1所述的RTC校准方法，其特征在于拟合曲线为三次拟合曲线：y＝ax3+bx2+cx+d采用五个温度点数据对a，b，c，d进行标定。5.如权利要求1所述的RTC校准方法，其特征在于拟合曲线为四次拟合曲线：y＝hx4+ax3+bx2+cx+d采用六个温度点数据对h，a，b，c，d进行标定。6.如权利要求1所述的RTC校准方法，其特征在于由管理主站读取每块电表的补偿系数及校准后的RTC精度，并保存到数据库中，对故障表提示，由维修人员进行单独处理。7.如权利要求1所述的RTC校准方法，其特征在于晶体计时误差Y的单位为ppm。8.如权利要求1所述的RTC校准方法，其特征在于批量生产中不进行(1)、(2)、(3)步骤。9.一种RTC校准方法，其特征在于包括如下步骤：(1)校准温度点的选择，综合考虑电表的一般生产工艺过程及温度点与β的关系，选择特定校准温度点T1＝23℃和T2＝56℃；(2)确定所选型号晶体的β值，选择五温度点测试RTC误差，得到4块电表的β值，将β的平均值作为此型号晶体的固定系数，每块电表都采用此固定系数；(3)确定所选型号晶体按二次曲线补偿后的频率温度特性实测值与二次曲线的偏差E’，采用较二次曲线更高次项的曲线拟合该偏差E’，由该拟合曲线得到各温度点的曲线偏差值E，偏差值E为晶体按二次曲线校准后残存的偏差值，制作偏差值E与温度X或偏差值E与晶体计时误差Y的对应表格；(4)RTC的β值与各温度点的偏差值E通过通讯接口预置到电表中，每块电表在正常生产中，都进行两温度点校准；(5)每块电表在生产中，收到启动测量温度点RTC误差命令后，首先关闭RTC的温度补偿功能，启动温度测量；(6)根据温度测量值判断电表温度已经进入预定温度T1的允许范围内后，然后进行步骤(7)；(7)通过主控制器的计时单元测量外部输入的标准时钟，由计时单元测量计时时间Tj得到晶体计时误差测量值Tb，记为Tb1、Tb2、Tb3；(8)在每次计时的同时主控制器需要测量多个温度值，去掉最大值、最小值后取温度平均值W，不同时刻Tb1、Tb2、Tb3分别对应平均值W1、W2、W3，取中间一组对应值作为后面计算用值，Tb记为Y1，W记为X1，并存储到存储器中；(9)测量高温温度点T2的误差及温度，与常温不同...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫书芳，张晓东，陈文藻，顾舜孝，华号，曹晓峰，陶英浩，
申请(专利权)人：江阴长仪集团有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32