CN103699001B - 利用恒温晶体振荡器实现的计时方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用恒温晶体振荡器实现的计时方法及***，***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，实现计时。

Description

利用恒温晶体振荡器实现的计时方法及***

技术领域

本发明涉及电子设备记时领域，尤其涉及一种的计时方法及***。

背景技术

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10^-8、10^-9等。随着无线通信领域的快速发展，如电信方面的微波拉远设备等方案，10^-8、10^-9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10^-10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

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的计时方法及***。

一种利用恒温晶体振荡器实现的计时方法，包括步骤

1、***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，实现高精度计时，精度在10^-12以上。

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10^-12，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。

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。

本发明还提供一种利用恒温晶体振荡器实现的计时***，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，使恒温晶体振荡器的精度锁定在GPS的原子钟上，实现高精度计时。

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***，用最简单、最低成本的方法，把10^-8、10^-9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10^-12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。

本发明的方法和记时***运行成本低，通过科学合理的***设计，提供高精度时钟信号输出，精度可在10^-12以上，已成功地应用于电力***暂态变化过程的异地同步记录。

附图说明

图1是本发明实施例提供的利用恒温晶体振荡器实现的计时***结构示意图。

图2是本发明实施例提供的计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。

具体实施方式

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。

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的计时***，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***中。

***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,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，实现高精度计时，精度可在10^-12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10^-12以上。

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)/10000000＝-1.1E-08(10^-8)

从以上公式看出，理想精度是10^-8，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(10^-7)

只能是10^-7精度，那么现有技术要做到10^-12，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。

本发明在现有方法上做了改进，比如我们有一个OCXO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＝f1+f2+。。。+f100＝10000000.5000+10000000.5000+。。。+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。

本发明方案的做法是利用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。

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,б²) (1)

不同档次的GPS接收机,б数值大小不同。

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的晶振分频产生的秒时钟随机误差小于1ns),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μ(x)可以表示为:

μ(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。

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:

Y_X＝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表示为:Y₁,Y₂,…,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μ(x)为:

μ(x)＝a+bx+cx² (4)

根据误差估计值μ(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。

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。

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。

Claims (4)

1.一种利用恒温晶体振荡器实现的计时方法，包括步骤

一、***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；

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，实现高精度计时；

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。

2.根据权利要求1所述计时方法，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10-¹²，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所述计时方法，其特征在于，所述步骤二中的规定阀值为1000次或2000次。

4.一种采用权利要求1方法的计时***，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，使恒温晶体振荡器的精度锁定在GPS的原子钟上，实现高精度计时。