阅读说明：本技术 一种低功耗压控晶振的守时方法及系统 (Time keeping method and system of low-power-consumption voltage-controlled crystal oscillator ) 是由 吴启文 戴景峰 童杰 秦明辉 赵小虎 马聪 于 2020-06-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低功耗压控晶振的守时方法及系统,属于高精度守时技术领域,包括：使用压控晶振模块输出频率作为中央处理器的系统时钟振荡频率源,进行系统走时；在标准时钟源模块正常时,使用标准时钟源模块对中央处理器进行系统授时；每隔N秒,根据系统走时和系统授时之间的走时偏差,得到的压控晶振模块输入电压与频率偏差值对应关系,并构建标准时钟源模块异常时的守时参考表；在标准时钟源模块异常时,根据守时参考表中输入电压对应的频率偏差值,计算走时偏差,并根据走时偏差反向调节压控晶振模块的输入电压,使得累计走时偏差趋向于零达到守时。本发明实现方法简单,节省系统功耗,非常适合与低功耗应用产品及场景使用。(The invention discloses a time keeping method and a time keeping system of a low-power-consumption voltage-controlled crystal oscillator, belonging to the technical field of high-precision time keeping and comprising the following steps: the output frequency of the voltage-controlled crystal oscillator module is used as a system clock oscillation frequency source of the central processing unit to carry out system travel time; when the standard clock source module is normal, the standard clock source module is used for carrying out system time service on the central processing unit; every N seconds, obtaining a corresponding relation between input voltage and frequency deviation value of the voltage-controlled crystal oscillator module according to travel time deviation between system travel time and system time service, and constructing a timekeeping reference table when the standard clock source module is abnormal; when the standard clock source module is abnormal, the travel time deviation is calculated according to the frequency deviation value corresponding to the input voltage in the timekeeping reference table, and the input voltage of the voltage-controlled crystal oscillator module is reversely adjusted according to the travel time deviation, so that the accumulated travel time deviation tends to zero to reach timekeeping. The method is simple, saves system power consumption, and is very suitable for being used in low-power-consumption application products and scenes.)

一种低功耗压控晶振的守时方法及系统

技术领域

本发明涉及高精度守时技术领域，特别涉及一种低功耗压控晶振的守时方法及系统。

背景技术

广域录波型故障指示器是一种安装在配电架空线路上，采集线路负荷电流和电场的传感器。其主要功能为与配电主站配合使用实现线路短路和接地故障识别及定位。其接地故障定位原理是：在线路发生单相接地故障后，故障指示器记录故障时刻的电流电场波形，主站召录所有故障指示器故障时刻零序电流波形，通过零序电流的极性及幅值进行故障研判定位。

为了保证三相采集单元合成的零序电流的有效性，需要三相采集单元具有高精度的采用同步，目前标准要求三相采样同步要求不大于20us，为了保证所有设备都能捕获故障波形，需要所有故障指示器时间一致性。

当前广域录波型故障指示器主要使用基于北斗/GPS系统高精度同步时钟信号进行授时及守时。由于广域录波型故障指示器安装在配电架空线路上，其主供电源为线路CT取电，受限于产品尺寸等条件限制，CT取电能力有限，因此整个系统有很高的功耗要求，而北斗/GPS模块运行时功耗很高。因此现有的授时、守时方法主要是基于充足的后备电源设计，不适用于录波型故障指示器所涉及的低功耗高精度要求的应用场景。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术中的不足，提供一种适用于低功耗高精度要求应用场景的守时方法。

为实现以上目的，采用一种低功耗压控晶振的守时方法，包括如下步骤：

使用压控晶振模块输出频率作为中央处理器的系统时钟振荡频率源，进行系统走时；

在标准时钟源模块正常时，使用标准时钟源模块对中央处理器进行系统授时；

每隔N秒，根据系统走时和系统授时之间的走时偏差，得到的压控晶振模块输入电压与频率偏差值对应关系，并构建标准时钟源模块异常时的守时参考表；

在标准时钟源模块异常时，根据守时参考表中输入电压对应的频率偏差值，计算走时偏差，并根据走时偏差反向调节压控晶振模块的输入电压，使得累计走时偏差趋向于零达到守时。

进一步地，所述每隔N秒，根据系统走时和系统授时之间的走时偏差，得到的压控晶振模块输入电压与频率偏差值对应关系，并构建标准时钟源模块异常时的守时参考表，包括：

a)每隔N秒记录所述标准时钟源模块时间和所述中央处理的系统时间，计算压控晶振模块输出频率与标准频率的频率偏差值，并记录此时压控晶振模块输入电压值对应的频率偏差值；

b)根据频率偏差值，调节压控晶振模块的输入电压，从而调节压控晶振模块输出频率；

c)重复执行步骤a)直至系统平衡，所述压控晶振模块输出频率在标准频率值左右进行动态输出，根据所得到的压控晶振模块输入电压与频率偏差值对应关系，构建标准时钟源模块异常时的守时参考表。

进一步地，所述压控晶振模块输出频率与标准频率的频率偏差值的计算过程为：

开启所述标准时钟源模块，使用所述标准时钟源模块PPS信号记录所述中央处理器系统时间TT1和所述标准时钟源模块时间ST1，同时关闭所述标准时钟源模块；

设定N秒后，开启所述标准时钟源模块，再次记录所述中央处理器系统时间TT2和所述标准时钟源模块时间ST2；

计算所述标准时钟源模块时间差为DiffST＝ST2-ST1，计算所述中央处理器时间差为DiffTT＝TT2-TT1；

计算所述中央处理器系统走时偏差为DiffST-DiffTT，并根据系统走时偏差计算所述压控晶振模块输入电压所对应的输出频率值与与标准频率值之间的频率偏差值。

进一步地，所述根据频率偏差值，调节压控晶振模块的输入电压，从而调节压控晶振模块输出频率，包括：

在所述压控晶振模块输出频率大于标准频率时，调节所述压控晶振模块输入电压值以减小输出频率值；

在所述压控晶振模块输出频率值小于标准频率时，调节所述压控晶振模块输入电压值以增大输出频率值。

进一步地，还包括：根据所述频率偏差值动态的改变所述压控晶振模块输入电压的调节速度，具体为：

所述压控晶振模块输出频率与所述标准频率值的偏差越大，设定关闭所述标准时钟源模块的时间越短，调节所述压控晶振模块输入电压的速度越快；

所述压控晶振模块的输出频率与所述标准频率值的偏差越小，设定关闭所述标准时钟源模块的时间越长，调节所述压控晶振模块输入电压的速度越慢。

进一步地，所述中央处理器通过模数转换器调控所述压控晶振模块的输入电压。

另一方面，采用一种低功耗压控晶振的守时系统，包括中央处理器、压控晶振模块、标准时钟源模块和模数转换器，压控晶振模块和标准时钟源模块的输出均与中央处理器输入连接，中央处理器输出经模数转换器与压控晶振模块输入连接，其中：

压控晶振模块输出频率作为中央处理器的系统时钟震荡频率源，进行系统走时；中央处理器接收标准时钟源模块输出的时钟进行系统授时；中央处理器根据系统走时和系统授时，调节数模转换器调节的模拟电压输出从而控制压控晶振模块的输出频率。

进一步地，所述标准时钟源模块为北斗/GPS接收机。

进一步地，所述中央处理器包括守时参考表构建模块和守时控制模块，其中：

守时参考表构建模块用于每隔N秒，根据系统走时和系统授时之间的走时偏差，得到的压控晶振模块输入电压与频率偏差值对应关系，并构建标准时钟源模块异常时的守时参考表；

守时控制模块用于在标准时钟源模块异常时，根据守时参考表中输入电压对应的频率偏差值，计算走时偏差，并根据走时偏差反向调节压控晶振模块的输入电压，使得累计走时偏差趋向于零达到守时。

进一步地，所述守时参考表构建模块包括记录单元、调控单元和构建单元，其中：

记录单元用于每隔N秒记录所述标准时钟源模块时间和所述中央处理的系统时间，计算压控晶振模块输出频率与标准频率的频率偏差值，并记录此时压控晶振模块输入电压值对应的频率偏差值；

调控单元用于根据频率偏差值，调节压控晶振模块的输入电压，从而调节压控晶振模块输出频率；

构建单元用于控制记录单元重复执行动作直至系统平衡，所述压控晶振模块输出频率在标准频率值左右进行动态输出，根据所得到的压控晶振模块输入电压与频率偏差值对应关系，构建标准时钟源模块异常时的守时参考表。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明可简单高效的实现晶振的驯服，解决时钟源异常时系统守时问题，实现方法简单，存储和计算对系统软件资源要求不高，可应用于绝大部分产品的使用，统正常时也无需标准时钟源常开，节省系统功耗，非常适合与低功耗应用产品及场景使用。

附图说明

下面结合附图，对本发明的

具体实施方式

进行详细描述：

图1是一种低功耗压控晶振的守时方法的流程图；

图2是守时系统时钟源正常时晶振偏差自适应流程图；

图3是守时系统时钟源异常时守时方法流程图；

图4是一种低功耗压控晶振的守时系统的结构图。

具体实施方式

为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。

如图1至图3所示，本实施例公开了一种低功耗压控晶振的守时方法，包括如下步骤S1至S4：

S1、使用压控晶振模块输出频率作为中央处理器的系统时钟振荡频率源，进行系统走时；

S2、在标准时钟源模块正常时，使用标准时钟源模块对中央处理器进行系统授时；

S3、每隔N秒，根据系统走时和系统授时之间的走时偏差，得到的压控晶振模块输入电压与频率偏差值对应关系，并构建标准时钟源模块异常时的守时参考表；

S4、在标准时钟源模块异常时，根据守时参考表中输入电压对应的频率偏差值，计算走时偏差，并根据走时偏差反向调节压控晶振模块的输入电压，使得累计走时偏差趋向于零达到守时。

进一步地，所述步骤S3中：每隔N秒，根据系统走时和系统授时之间的走时偏差，得到的压控晶振模块输入电压与频率偏差值对应关系，并构建标准时钟源模块异常时的守时参考表，包括如下步骤：

a)每隔N秒记录所述标准时钟源模块时间和所述中央处理的系统时间，计算压控晶振模块输出频率与标准频率的频率偏差值，并记录此时压控晶振模块输入电压值对应的频率偏差值；

b)根据频率偏差值，调节压控晶振模块的输入电压，从而调节压控晶振模块输出频率；

c)重复执行步骤a)直至系统平衡，所述压控晶振模块输出频率在标准频率值左右进行动态输出，根据所得到的压控晶振模块输入电压与频率偏差值对应关系，构建标准时钟源模块异常时的守时参考表。

进一步地，所述步骤a)中，压控晶振模块输出频率与标准频率的频率偏差值的计算过程为：

开启所述标准时钟源模块，使用所述标准时钟源模块PPS信号记录所述中央处理器系统时间TT1和所述标准时钟源模块时间ST1，同时关闭所述标准时钟源模块；

设定N秒后，开启所述标准时钟源模块，再次记录所述中央处理器系统时间TT2和所述标准时钟源模块时间ST2；

计算所述标准时钟源模块时间差为DiffST＝ST2-ST1，计算所述中央处理器时间差为DiffTT＝TT2-TT1；

计算所述中央处理器系统走时偏差为DiffST-DiffTT，并根据系统走时偏差计算所述压控晶振模块输入电压所对应的输出频率值与与标准频率值之间的频率偏差值。

进一步地，所述步骤b)中，根据频率偏差值，调节压控晶振模块的输入电压，从而调节压控晶振模块输出频率，包括：

在所述压控晶振模块输出频率大于标准频率时，调节所述压控晶振模块输入电压值以减小输出频率值；

在所述压控晶振模块输出频率值小于标准频率时，调节所述压控晶振模块输入电压值以增大输出频率值。

进一步地，所述方法还包括：根据所述频率偏差值动态的改变所述压控晶振模块输入电压的调节速度，具体为：

所述压控晶振模块输出频率与所述标准频率值的偏差越大，设定关闭所述标准时钟源模块的时间越短，调节所述压控晶振模块输入电压的速度越快；

所述压控晶振模块的输出频率与所述标准频率值的偏差越小，设定关闭所述标准时钟源模块的时间越长，调节所述压控晶振模块输入电压的速度越慢。

本实施例中，通过时钟源正常时，进行系统授时；记录开始时系统时间和时钟源时间；休眠时钟源一段时间后再次开启时钟源；记录结束时系统时间和时钟源时间；通过两次时间差计算晶振偏差并记录；如此循环，输出晶振频率会在标准频率左右进行动态调节；时钟源异常时，根据记录的晶振偏差及运行时间计算出系统时钟偏差；反向调节输出频率，保证系统时钟偏差趋向零；如此重复达到系统守时。可简单高效的实现晶振的驯服，解决时钟源异常时系统守时问题，实现方法简单，节省系统功耗，非常适合与低功耗应用产品及场景使用。

如图4所示，本实施例还公开了一种低功耗压控晶振的守时系统，包括中央处理器、压控晶振模块、标准时钟源模块和模数转换器，压控晶振模块和标准时钟源模块的输出均与中央处理器输入连接，中央处理器输出经模数转换器与压控晶振模块输入连接，其中：

压控晶振模块输出频率作为中央处理器的系统时钟震荡频率源，进行系统走时；中央处理器接收标准时钟源模块输出的时钟进行系统授时；中央处理器根据系统走时和系统授时，调节数模转换器调节的模拟电压输出从而控制压控晶振模块的输出频率。

其中，所述标准时钟源模块为北斗/GPS接收机，北斗/GPS信号正常时，中央处理器通过北斗/GPS接收机PPS信号和串口时间数据，完成对系统的时间同步。

进一步地，所述中央处理器包括守时参考表构建模块和守时控制模块，其中：

守时参考表构建模块用于每隔N秒，根据系统走时和系统授时之间的走时偏差，得到的压控晶振模块输入电压与频率偏差值对应关系，并构建标准时钟源模块异常时的守时参考表；

守时控制模块用于在标准时钟源模块异常时，根据守时参考表中输入电压对应的频率偏差值，计算走时偏差，并根据走时偏差反向调节压控晶振模块的输入电压，使得累计走时偏差趋向于零达到守时。

进一步地，所述守时参考表构建模块包括记录单元、调控单元和构建单元，其中：

记录单元用于每隔N秒记录所述标准时钟源模块时间和所述中央处理的系统时间，计算压控晶振模块输出频率与标准频率的频率偏差值，并记录此时压控晶振模块输入电压值对应的频率偏差值；

调控单元用于根据频率偏差值，调节压控晶振模块的输入电压，从而调节压控晶振模块输出频率；

构建单元用于控制记录单元重复执行动作直至系统平衡，所述压控晶振模块输出频率在标准频率值左右进行动态输出，根据所得到的压控晶振模块输入电压与频率偏差值对应关系，构建标准时钟源模块异常时的守时参考表。

需要说明的是，本系统实施的具体步骤如下：

1)北斗/GPS信号正常时，中央处理器通过北斗/GPS接收机PPS信号和串口时间数据，完成对系统的时间同步。

2)时间同步后，获取下一次PPS中断信号时，系统时间t1以及北斗/GPS时间t2,关闭北斗/GPS模块，减少系统功耗。

3)等待N秒后，开启北斗/GPS模块，再次获取PPS中断信号时，系统时间t3以及北斗/GPS时间t4,系统走时为t3-t1,标准走时为t4-t2,系统走时相对标准时间偏差为(t3-t1)-(t4-t2),可以计算出系统每秒相对于标准时间偏差为((t3-t1)-(t4-t2))/(t4-t2),由此可以计算出输出频率与标准频率偏差值，动态记录数模转换器的值对应输出频率相对标准频率偏差值。

4)如果输出频率较标准频率值偏大，则调节数模转换器使压控晶振频率输出频率调小；如果输出频率较标准频率值偏小，则调节数模转换器使压控晶振输出频率调大。

5)如果压控晶振输出频率与标准频率值偏差越大，则步骤3等待的N(>＝1)秒越小，晶振调节的速度越快；如果压控晶振输出频率与标准频率值偏差越小，则步骤3等待的N秒越长，晶振调节的速度越慢。

6)系统达到平衡后，压控晶振输出频率将在标准频率左右动态运行，记录表可以作为北斗/GPS接收机异常时守时参考表。

7)北斗/GPS接收机异常时，根据记录表，计算出当前输出频率下在运行时间内系统时间相对于绝对时间走时偏差；反向调节输出频率，继续运行一段时间，计算累计系统时间相对于绝对时间走时偏差；如此循环，保证系统走时偏差一直趋向于零，达到系统守时的目标。

需要说明的是，该实例使用ST公司的STM32作为中央处理器，晶振使用EPSON晶振，该晶振频率为16000000Hz(16MHz)，系统时钟采用16000000Tick值表示1秒。下表1为系统晶振初始化未校准到晶振到稳定输出的数据记录。

表1

由上表数据可知：在1589483232秒完成授时，记录开始系统时间为1589483232.7，GPS时间为1589483232；记录结束系统时间为1589483234.116、GPS时间为1589483234；时间差为2秒，系统时钟偏差为109，晶振偏差为109/2/16000000＝3.40625ppm。在1589483302秒时系统完成压控晶振的自调节功能，晶振输出频率在标准标准左右动态调节。达到平衡后，晶振在DAC值为1502时，运行320秒会导致正向8Tik偏差，在DAC值为1503时，运行320秒会导致反向20Tik偏差。在时钟源失效时，系统可以动态的在DAC值为1502时运行800秒后调节DAC值为1503秒运行320秒可以到达正负偏差抵消，达到系统高精度守时。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。