利用恒温晶体振荡器实现低成本高精度的记时方法及系统.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103699001 A (43)申请公布日 2014.04.02 CN 103699001 A (21)申请号 201210373445.5 (22)申请日 2012.09.27 G04R 20/04(2013.01) G04R 40/06(2013.01) G05B 19/042(2006.01) (71)申请人 广东中晶电子有限公司 地址 510663 广东省广州市萝岗区科学大道 182 号创新大厦 C3 区 702 (72)发明人 唐道勇 (74)专利代理机构 广州市红荔专利代理有限公 司 44214 代理人 赵晓慧 (54) 发明名称 利用恒温晶体振荡器实现低。

2、成本高精度的记 时方法及系统 (57) 摘要 本发明公开了一种利用恒温晶体振荡器实现 低成本高精度的记时方法及系统， 系统包括 GPS 接收机、 MCU 单片机、 CPLD 或 FPGA、 恒温晶体振荡 器 ； 所述MCU单片机连接GPS接收机获取GPS的信 息， 当发现GPS接收机收到卫星达到至少4颗时就 可以确定所述 GPS 接收机输出的 1PPS 信号有效 ； 所述 CPLD 或 FPGA 接收 GPS 接收机的 1PPS 信号， 并以此为标准信号， 对恒温晶体振荡器的频率进 行统计， 当统计到规定阀值时将统计结果发送到 MCU单片机 ； 所述MCU单片机根据所述统计结果进 行一元非线性。

3、回归方程式计算， 计算出需要调整 的数据， 通过 MCU 单片机输出控制电压给恒温晶 体振荡器的频率调整电压脚， 使恒温晶体振荡器 的精度锁定在 GPS 的原子钟上， 实现低成本高精 度记时。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103699001 A CN 103699001 A 1/1 页 2 1. 一种利用恒温晶体振荡器实现低成本高精度的记时方法， 包括步骤 一、 系统通电， 完成初始化设置， MCU 单片机连接 GPS 接收机。

4、获取 GPS 的信息， 当发现 GPS 接收机收到卫星达到至少 4 颗时就可以确定所述 GPS 接收机输出的 1PPS 信号有效 ； 二、 通过复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器接收 GPS 接收机的 1PPS 信号， 并 以此为标准信号， 对恒温晶体振荡器的频率进行统计， 当统计到规定阀值时将统计结果发 送到 MCU 单片机 ； 三、 MCU 单片机根据所述统计结果进行一元非线性回归方程式计算， 计算出需要调整的 数据， 通过 MCU 单片机输出控制电压给恒温晶体振荡器的频率调整电压脚， 使恒温晶体振 荡器的精度锁定在 GPS 的原子钟上， 实现高精度记时。 2. 根据权利要求 1 所述。

5、记时方法， 其特征在于， 所述步骤三还包括 通过 MCU 单片机输出控制信号与 GPS 接收机通信， 确 保 GPS 接 收 机 输 出 的 1PPS 信 号 是 锁 定 到 GPS 的 原 子 钟 上，精 度 为 ， 通过 MCU 单片机与复杂可编程逻辑器件的运算， 得出高精度的 1PPS 输出。 3. 根据权利要求 1 所述记时方法， 其特征在于， 还包括如下步骤 ： 在 GPS 接收机提供正常的频率信号的时候， 每隔 2 小时记住每次调整的 2 个值 PWM1,PWM2; 当 GPS 数据丢失后 , 计算公式如下 ： T=2*60/( PWM2 PWM1) 可以得出多少分钟后 PWM 的。

6、变化情况， 通过 PWM 的调整来控制恒温晶体振荡器的老化 率变化， 使其高精度输出， 直到 GPS 数据重新被 MCU 单片机检测到， 又交回 GPS 驯服时钟控 制。 4. 根据权利要求 1 所述记时方法， 其特征在于， 所述步骤二中的规定阀值为 1000 次或 2000 次。 5. 一种利用恒温晶体振荡器实现低成本高精度的记时系统， 其特征在于， 包括 GPS 接 收机、 MCU 单片机、 复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器、 恒温晶体振荡器 ； 所述 MCU 单片机分别连接 GPS 接收机、 复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器、 恒温晶体振荡 器， 所述 GPS 接收机依次连接。

7、复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器、 恒温晶体振荡 器 ； 所述 MCU 单片机连接 GPS 接收机获取 GPS 的信息， 当发现 GPS 接收机收到卫星达到至 少 4 颗时就可以确定所述 GPS 接收机输出的 1PPS 信号有效 ； 所述复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器接收GPS接收机的1PPS信号， 并以此 为标准信号， 对恒温晶体振荡器的频率进行统计， 当统计到规定阀值时将统计结果发送到 MCU 单片机 ； 所述 MCU 单片机根据所述统计结果进行一元非线性回归方程式计算， 计算出需要调整 的数据， 通过 MCU 单片机输出控制电压给恒温晶体振荡器的频率调整电压脚， 使恒温晶体。

8、 振荡器的精度锁定在 GPS 的原子钟上， 实现高精度记时。 权 利 要 求 书 CN 103699001 A 2 1/4 页 3 利用恒温晶体振荡器实现低成本高精度的记时方法及系统 技术领域 0001 本发明涉及电子设备记时领域， 尤其涉及一种低成本高精度的记时方法及系统。 背景技术 0002 现有晶振时钟信号的随机误差较小 , 但存在较大的累计误差。而 GPS 接收机输 出的秒脉冲信号存在较大的随机误差 , 但不存在累计误差。晶振有着不同使用要求及特 点， 通常分为以下几类 ： 普通晶振、 温补晶振、 压控晶振、 恒温晶振等。精确度的等级普通晶 振最差， 恒温晶振最高， 达 、等。随着无线。

9、通信领域的快速发展， 如电信方面的 微波拉远设备等方案，、的精度已经不能满足要求， 早期工程师用铷钟来解决， 铷 钟的精度达 以上， 但是该方案成本比较贵， 人民币达 1 万人民币甚至几万人民币以 上， 而恒温晶振的成本为几百元人民币的成本。 发明内容 0003 本发明根据 GPS 时钟信号与恒温晶振时钟信号精度互补的特点 , 估计出 GPS 时 钟随机误差的统计方差和恒温晶振的累计误差 ; 对恒温晶振时钟进行实时修正 , 产生高 精度时钟, 并预测了修正后的时钟精度。 提供了一种利用恒温晶体振荡器实现低成本高精 度的记时方法及系统。 0004 一种利用恒温晶体振荡器实现低成本高精度的记时方法。

10、， 包括步骤 1、 系统通电， 完成初始化设置， MCU 单片机连接 GPS 接收机获取 GPS 的信息， 当发现 GPS 接收机收到卫星达到至少 4 颗时就可以确定所述 GPS 接收机输出的 1PPS 信号有效 ； 2、 通过复杂可编程逻辑器件 （即 CPLD） 或现场可编程门阵列器 （即 FPGA） 接收 GPS 接收 机的 1PPS 信号， 并以此为标准信号， 对恒温晶体振荡器 （即 OCXO） 的频率进行统计， 当统计 到规定阀值时将统计结果发送到 MCU 单片机， 比如规定阀值为 1000 次或 2000 次 ； 3、 MCU 单片机根据所述统计结果进行一元非线性回归方程式计算， 计。

11、算出需要调整的 数据， 通过 MCU 单片机输出控制电压给恒温晶体振荡器的频率调整电压脚， 使恒温晶体振 荡器的精度锁定在 GPS 的原子钟上， 实现高精度记时， 精度在以上。 0005 所述步骤 3 还包括通过 MCU 单片机输出控制信号与 GPS 接收机通信， 确保 GPS 接 收机输出的 1PPS 信号是锁定到 GPS 的原子钟上， 精度为， 通过 MCU 单片机与复杂可编 程逻辑器件的运算， 得出高精度的 1PPS 输出。 0006 所述记时方法还包括如下步骤 ： 在 GPS 接收机提供正常的频率信号的时候， 每隔 2 小时记住每次调整的 2 个值 PWM1,PWM2; 当 GPS 数。

12、据丢失后 , 计算公式如下 ： T=2*60/( PWM2 PWM1) 可以得出多少分钟后 PWM 的变化情况， 通过 PWM 的调整来控制恒温晶体振荡器的老化 说 明 书 CN 103699001 A 3 2/4 页 4 率变化， 使其高精度输出， 直到 GPS 数据重新被 MCU 单片机检测到， 又交回 GPS 驯服时钟控 制。 0007 本发明还提供一种利用恒温晶体振荡器实现低成本高精度的记时系统， 包括 GPS 接收机、 MCU 单片机、 复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器、 恒温晶体振荡器 ； 所述 MCU 单片机分别连接 GPS 接收机、 复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器。

13、、 恒温晶体振 荡器， 所述 GPS 接收机依次连接复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器、 恒温晶体振 荡器 ； 所述 MCU 单片机连接 GPS 接收机获取 GPS 的信息， 当发现 GPS 接收机收到卫星达到至 少 4 颗时就可以确定所述 GPS 接收机输出的 1PPS 信号有效 ； 所述复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器接收GPS接收机的1PPS信号， 并以此 为标准信号， 对恒温晶体振荡器的频率进行统计， 当统计到规定阀值时将统计结果发送到 MCU 单片机 ； 所述 MCU 单片机根据所述统计结果进行一元非线性回归方程式计算， 计算出需要调整 的数据， 通过 MCU 单片机输出控。

14、制电压给恒温晶体振荡器的频率调整电压脚， 使恒温晶体 振荡器的精度锁定在 GPS 的原子钟上， 实现高精度记时。 0008 本发明利用恒温晶振 （OCXO） 、 普通单片机或 MCU 单片机、 CPLD/FPGA 等器件， 配 合 GPS 或者北斗等时钟系统， 用最简单、 最低成本的方法， 把、量级的恒温晶振 （OCXO） 驯服成高精度输出， 直接锁定到 GPS 的原子钟上， 精度可达以上， 同时解决了 晶振自身存在的问题 ： 老化率， 因为恒温晶振锁定到原子钟上， 晶振的老化率将得以控制， 频率不会随着晶振的通电时间长而发生变化。 0009 本发明的方法和记时系统运行成本低， 通过科学合理的。

15、系统设计， 提供高精度时 钟信号输出， 精度可在以上， 已成功地应用于电力系统暂态变化过程的异地同步记 录。 0010 附图说明 0011 图 1 是本发明实施例提供的利用恒温晶体振荡器实现低成本高精度的记时系统 结构示意图。 0012 图 2 是本发明实施例提供的记时方法部分流程示意图 ; 图 3 是本发明实施例中精确度为 10.0000005 的一个 OCXO 晶振示意表。 0013 具体实施方式 0014 为使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合附图对本发明作进一 步地详细描述。 0015 如图 1 所示， 本发明实施例提供的一种利用恒温晶体振荡器实现低成本高精度的 记时。

16、系统， 包括 GPS 接收机、 MCU 单片机、 复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列器、 恒温 晶体振荡器 ； 所述MCU单片机分别连接GPS接收机、 复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵 说 明 书 CN 103699001 A 4 3/4 页 5 列器、 恒温晶体振荡器， 所述 GPS 接收机依次连接复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵 列器、 恒温晶体振荡器 ； 本发明的记时方法运用在本发明系统中。 0016 系统通电后， 所述 MCU 单片机连接 GPS 接收机获取 GPS 的信息， MCU 单片机等待恒 温晶体振荡器 （OCXO） 温度稳定并查询 GPS 接收机是否提供有效的 1PPS。

17、 信号 ； 当发现 GPS 接收机收到卫星达到至少 4 颗时就可以确定所述 GPS 接收机输出的 1PPS 信号有效 ； 如图 2 所示， 所述复杂可编程逻辑器件 （即 CPLD） 或现场可编程门阵列器 （即 FPGA） 接 收GPS接收机的1PPS信号， 并以此为标准信号， 对恒温晶体振荡器 （OCXO） 的频率进行统计， 当统计到规定阀值时将统计结果发送到 MCU 单片机 ； 比如规定阀值为 1000 次或 2000 次 ； 所述 MCU 单片机根据所述统计结果进行一元非线性回归方程式计算， 计算出需要调整 的数据， 利用一元二次回归数学模型迅速调整 10MHz 的 OCXO 输出频率 ,。

18、 以及 CPLD 或 FPGA 的 1PPS 的输出频率， 通过 MCU 单片机的 PWM/DA 脚输出控制电压给恒温晶体振荡器的频率 调整电压脚， 使恒温晶体振荡器的精度锁定在 GPS 的原子钟上， 实现高精度记时， 精度可在 以上。同时通过 MCU 单片机输出控制信号给 GPS 接收机， 使 GPS 接收机输出的 1PPS 信号精度在以上。 0017 具体算法说明如下 ： 假如一个标称 f0=10000000M 的晶振， 用安捷伦的 53220A 频率计数器测试的频率为 f1=10000000.11000， 精确度为 (f0 - f1)/ f0=(10000000-10000000.11)。

19、/10000000= -1.1E-08（） 从以上公式看出， 理想精度是， 但是因为无论是 MCU 单片机还是 CPLD/FPGA, 小数 点后面的数据均不能处理， 所以f1的频率在MCU单片机和CPLD/FPGA运算里面为10000000 （小数点读不出来） ， 实际计算如下 ： (f0 - f1)/ f0=(10000000-10000000)/10000000= -0E-07（） 只能是精度， 那么现有技术要做到， 唯一的办法可以倍频， 因为高频对硬件 要求比较高， 违背了本发明提倡的低成本的方案， 所以此倍频方法不可以采用。 0018 本发明在现有方法上做了改进， 比如我们有一个 OC。

20、XO 晶振的精确度为 10.0000005， 从图 3 我们可以看到 ： 1 秒钟 CPLD 计的频率为 10000000， 小数点后面的数据被去掉 ； 2 秒钟分开计 CPLD 的频率为 20000000（10000000+10000000） 小数点后面的数据被去 掉 ； 假设一个晶振的频率用示波器测试出来每秒钟的频率是 10000000.5000Hz， 因为 CPLD 只能计整数部分， 那么将丢失小数部分， 如果延长了计数周期到 2 秒， 那么 CPLD 将计数为 F= f1+f2=10000000.5000+10000000.5000=2000001; 假设计数周期为 100 秒 ： F。

21、 = f 1 + f 2 + 。 。 。 + f 1 0 0 = 1 0 0 0 0 0 0 0 . 5 0 0 0 + 1 0 0 0 0 0 0 0 . 5 0 0 0 + 。 。 。 +10000000.5000=1000000050; 以此类推， 当连续 1000 秒的测试， 那么 CPLD 的计数为 10 000 000 500， 这些数据能被 CPLD 以及 MCU 单片机处理， 从而可以通过一元二次回归方程式算出需要的 PWM/DA 的值， 通 过调整 OCXO 的压控电压使其精度达到本发明想要的值。 说 明 书 CN 103699001 A 5 4/4 页 6 0019 本发明。

22、方案的做法是利用 1000 秒来消除 GPS 的抖动， 找到 OCXO 的频率漂移特性， 通过 MCU 单片机与 CPLD/FPGA 的计算， 找到一条符合本晶振的控制规律， 使 OCXO 的精度锁 定到 GPS 上， 解决了铷钟、 原子钟的带来的高成本问题。 0020 在 GPS 接收机中 , 输出秒时钟与 UCT 存在一定的误差 。考察某一秒时间序 列 , 第 x 个秒时钟的时间误差 x， x 服从正态分布 : x N (0, 2) (1) 不同档次的 GPS 接收机 , 数值大小不同。 0021 由于高精度晶振的随机误差远小于GPS 秒时钟的随机误差(如稳定度为10- 9 的晶振分频产生。

23、的秒时钟随机误差小于 1 n s) , 因此不考虑晶振秒时钟的随机误差。仅 考虑晶振的频率偏差及频率的线性漂移 , 由晶振分频产生秒时间序列的第 x 个秒时钟的 时间误差 (x ) 可以表示为 : (x ) = a + bx + cx2 (2) 式中 : a 为秒时间序列的初始误差 ; b 为考虑频率偏差的误差系数 ; c 为考虑频率 线性漂移的误差系数。 0022 由式 (1) 和式 (2) 得晶振分频秒时钟 ( 简称晶振秒时钟 ) 与 GPS 秒时钟之间 的偏差为 : YX=a+bx+c x2+X （x n ） (3) 晶振秒时钟与 GPS 秒时钟的偏差是可以测量的 , 设测量结果序列 Y。

24、 表示为 :Y 1, Y 2, , Y x , ,Y n。由 Y 的时间序列按式 (3) 所示的一元二次回归分析模型估计 出回归系数 a, b, c, 则晶振输出的第 x 个秒时钟与 UCT 之间的误差估计值 (x ) 为 : (x ) = a+ bx + cx2 (4) 根据误差估计值(x ) 对晶振的频率进行补偿, 得到高精度的晶振频率以及产生高 精度时钟。 0023 本发明的记时方法还包括 OCXO 失锁后的精度以及守时保持步骤 ： 众所周知， 晶振的频率除了会随温度的变化而变化之外， 还会随着时间的老化而变化。 本方法是因为 OCXO 的频率是锁定到 GPS 的秒信号上的， 以 GPS。

25、 的 1PPS 作为时钟参考源， 通 过 PWM 方式调整频率的变化， 可以说不存在老化的问题， 但是当 GPS 数据丢失后， 1PPS 时钟 参考源也将丢失， 驯服将失去意义， 那么OCXO将随老化率自由振荡， 为了保证GPS时钟信号 继续提供高精度的频率信号， 在 GPS 提供正常的频率信号的时候每隔 2 小时记住每次调整 的 2 个值 PWM1,PWM2; 当 GPS 数据丢失后 , 计算公式如下 ： T=2*60/( PWM2 PWM1); 可以得出多少分钟后 PWM 的变化， 通过 PWM 的调整来控制 OCXO 的老化率变化， 使其高 精度输出， 直到 GPS 重新被 MCU 单片机检测到， 又交回 GPS 驯服时钟控制。 0024 以上所述是本发明的优选实施方式而已， 当然不能以此来限定本发明之权利范 围， 对于本技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明原理的前提下， 还可以做出若干 改进和变动， 这些改进和变动也视为本发明的保护范围。 说 明 书 CN 103699001 A 6 1/2 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103699001 A 7 2/2 页 8 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103699001 A 8 。