一种RTC时钟校准方法及工业现场校验装置与流程

一种rtc时钟校准方法及工业现场校验装置
技术领域
1.本发明涉及工业仪器仪表领域中的校验技术，具体涉及一种rtc时钟校准方法及工业现场校验装置。


背景技术：

2.实时时钟rtc(real
‑
time clock的简称)具有低功耗、可独立供电等技术优势，其广泛应用到工业现场仪表校验装置中，例如压力(仪表)校验仪、温(湿)度(仪表)校验仪、过程(仪表)校验仪等，从而实现仪表校验装置在工业现场环境下的长时间工作，且便于携带。
3.基于计量校准行业的特殊要求，为了保证计量数据的准确性，仪表校验装置需要有较高且可靠的计时精度，因此，需要对现场仪表校验装置的rtc进行校准。
4.目前，对于现场仪表校验装置的rtc时钟校准通常和其基本功能校准一起进行，例如，在对现场仪表校验装置进行校准时，使用外部标准时钟对其rtc功能进行校准。
5.现有技术中存在以下问题：
6.1)rtc模块的晶振频率越高功耗越大，工业现场校验装置受其应用特点的限制，其rtc模块本身不使用特别高频率的晶振信号。使用低频晶振的工业现场校验装置，较低频率的晶振一旦发生频偏，可能会影响实际计时精度，利用作为外部标准时钟的外部晶振对其进行校准，会增加校准成本和校准复杂度；
7.2)现场工作环境变化复杂，同一台现场仪表校验装置可能在短时间内先后在不同环境下使用，或者，同一现场工作环境可能在短时间内发生较大的温湿度等因素变化，又或者，现场工作环境恶劣存在诸多强干扰因素，再或者，现场工作环境和校准环境存在较大偏差。以上问题会导致工业现场仪表校验装置的rtc需要经常校准，然而，现有技术并不适合将外部标准时钟和现场仪表校验装置随同携带。
8.3)通过gps获取的时间或依赖服务器的时间进行rtc时钟校准，当gps信号差或者用户端无法与服务器端建立连接时，用户端处于离线状态，无法完成rtc时钟校准。


技术实现要素：

9.为解决上述一个或多个问题，本发明提供一种rtc时钟校准方法。
10.本发明采用以下技术方案：
11.一种rtc时钟校准方法，应用于工业现场校验装置，包括：
12.设置用于采集参考时钟的周期数的第一定时器(tim1)和用于采集工作时钟的周期数的第二定时器(tim2)；
13.所述第二定时器(tim2)和所述第一定时器(tim1)同步开始计数，并在在预定的时间内同步结束计数；
14.根据参考时钟的频率f
h
以及在相同时间内测量的参考时钟的周期数n
h
和工作时钟的周期数n
l
，按照下式计算得到工作时钟的频率f
l
：
15.f
l
＝f
h
×
n
l
/n
h
16.将频率f
l
作为校准后的工作时钟频率。
17.上述rtc时钟校准方法中，所述参考时钟是由集成于工业现场校验装置内的高频晶振提供。
18.上述rtc时钟校准方法中，所述参考时钟是集成于工业现场校验装置内的高频晶振经pll电路倍频后提供。
19.上述rtc时钟校准方法中，按照预设的周期进行rtc时钟校准；或者，
20.按预设的周期读取参考时钟的时间和工作时钟的时间，并计算二者的时间差值，当二者的时间差值大于预设时间差阈值时，进行rtc时钟校准。
21.上述rtc时钟校准方法中，获取当前环境温度，并将当前环境温度值与最近一次rtc时钟校准记录的环境温度值进行比较，当二者差值超过预设温度阈值，则执行rtc时钟校准。
22.上述rtc时钟校准方法中，所述预设温度阈值为5℃～20℃。
23.本发明还提供一种工业现场校验装置，该校验装置包括mcu主板、物理量采集模块、电信号测量模块和电池模块，物理量采集模块和电信号测量模块分别与mcu主板电连接，电池模块与mcu主板电连接用于为各模块供电，mcu主板上设置有处理单元、高频晶振和低频晶振，其中：
24.处理单元被配置为执行以下操作：
25.通过设置的第一定时器(tim1)采集高频晶振的周期数或经pll电路倍频后的高频晶振的周期数、通过设置的第二定时器(tim2)采集低频晶振的周期数，且使所述第二定时器(tim2)和所述第一定时器(tim1)同步开始计数，并在在预定的时间内同步结束计数；
26.根据高频晶振的频率f
h
以及在相同时间内获取的高频晶振的周期数n
h
和低频晶振的周期数n
l
，按照下式计算低频晶振的频率f
l
：
27.f
l
＝f
h
×
n
l
/n
h
28.将频率作为校准后的工作时钟频率。
29.上述工业现场校验装置还包括与mcu主板电连接的温度测量单元，mcu主板被配置为通过温度测量单元获取环境温度，并将当前环境温度值和前一次rtc时钟校准时的环境温度值进行比较，当二者差值大于预设温度阈值时，启动rtc时钟校准作业。
30.上述工业现场校验装置中，所述物理量采集模块为压力采集模块，mcu主板预置有三个工作模式，包括：
31.第一工作模式，低频晶振作为工作时钟，高频晶振处于休眠状态；
32.第二工作模式，高频晶振作为工作时钟，低频晶振处于休眠状态；
33.第三工作模式，rtc时钟校准完成后，mcu主板按照第一工作模式执行持续性工作任务；
34.mcu主板默认按照第一工作模式执行工作任务，当压力采集模块获取的前一时刻和当前时刻的压力值小于预设阈值，即所述工业现场校验装置处于稳压阶段时，则mcu主板切换至第二工作模式。
35.上述工业现场校验装置中，所述物理量采集模块为温度采集模块，当被测温度元件为热电偶时，温度采集模块将温度测量单元测量的冷端温度t
c
和电压测量电路检测的热电偶热电势e(t
m
,t
c
)传输至mcu主板，处理单元根据冷端温度值t
c
通过查询热电偶分度表得
到热电势e(t
c
,0)，并基于下式得到测量温度值所对应的热电势e(t
m
,0)：
36.e(t
m
,t
c
)＝e(t
m
,0)
‑
e(t
c
,0)
37.再根据热电势e(t
m
,0)通过查询热电偶分度表得到测量温度值t
m
，其中，热电偶分度表为热电偶的热电势和温度的对应关系表，其配置在mcu主板的存储器中。
38.本发明由于采取以上设计，具有如下特点：
39.1)本发明的校验装置同时设有低频晶振和高频晶振，在低功耗状态下(例如关机、待机、低频读数等)使用低频晶振而不使用高频晶振，在高频状态下(例如高频读数等)使用高频晶振，从而在保证计量精度的同时降低功耗；
40.2)本发明校验装置使用装置本身具有的高频晶振对自身具有的低频晶振进行校准，使rtc时钟校准可以由校验装置自行执行，节约校准成本，减少了rtc时钟校准对用户端装置必须在线的依赖，适用于工业现场校验装置；同时，保证了rtc时钟的计时精度；
41.3)对高频晶振的信号进行倍频处理，可以进一步提升校准精度；
42.4)将rtc时钟校准和温度校准功能相结合，利用装置本身温度校验主业务要求的环境温度检测功能，对温度变化对rtc时钟偏差的影响进行进一步校准，适应温度复杂多变的工业应用场合，既保证了rtc时钟的计时精度，又避免了无意义的高频率校准作业。
附图说明
43.图1为本发明校验装置的实施例一的结构示意图；
44.图2为本发明校验装置的实施例二的结构示意图；
45.图3为本发明校验装置的实施例三的结构示意图；
46.图4为本发明校验装置的实施例四的结构示意图。
47.主要标号：
[0048]1‑
mcu主板，11
‑
处理单元(cpu)，111
‑
rtc电路，112
‑
pll电路；12
‑
高频晶振(hse)，13
‑
低频晶振(lse)；tim1
‑
第一定时器，tim2
‑
第二定时器；
[0049]2‑
压力采集模块；
[0050]3‑
电信号测量模块，31
‑
电流测量单元，32
‑
电压测量单元，33
‑
电阻测量单元，34
‑
温度测量单元；
[0051]4‑
电池模块；
[0052]5‑
温度采集模块，51
‑
温度信号处理单元，52
‑
冷端温度传感器，53
‑
电压测量电路，54
‑
电阻测量电路。
具体实施方式
[0053]
以下结合具体实施例和附图，对本发明rtc时钟校准方法及工业现场校验装置进行详细描述。在下述说明中，工业现场校验装置可以是压力(仪表)校验装置、温湿度(仪表)校验装置或过程(仪表)校验仪。不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
[0054]
实施例一：
[0055]
该实施例以用于对工业现场的压力仪表进行检定或者校准的压力(仪表)校验装置为例，说明工业现场校验装置的rtc时钟校准过程。图1示出了典型压力校验装置的基本
构成：该压力校验装置包括mcu主板1、压力采集模块2、电信号测量模块3以及电池模块4，压力采集模块和电信号测量模块3分别与mcu主板1电连接，电池模块4和mcu主板1电连接用于为各模块供电。
[0056]
其中，mcu主板1上设置有处理单元(即cpu)11、高频晶振(以下简称hse)12和低频晶振(lse)13，cpu11内设有rtc电路111，对应的cpu11上设有rtc信号接口，lse13通过rtc信号接口和cpu11的rtc电路111信号连接，cpu11内设有pll(phaselockedloop，锁相回路或锁相环的英文缩写)电路112，对应的cpu11上设有pll信号接口，hse12通过pll信号接口和cpu11的pll电路112信号连接，rtc电路111配置有和cpu11的pll电路112相独立的供电线路。
[0057]
mcu主板1预置有第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式，其中：
[0058]
第一工作模式为常规工作模式，适用于对计时精度要求不高的场合。第一工作模式下，mcu主板1从lse13获取时钟信号，并根据lse13的时钟信号从压力采集模块2周期性地获取压力信号，此过程中，hse12处于休眠状态(例如，不供电)。
[0059]
第二工作模式为高精度工作模式，适用于对计时精度要求比较高的场合。第二工作模式下，mcu主板1从hse12获取时钟信号，并根据hse12的时钟信号从压力采集模块2以及电信号测量模块3周期性地获取压力信号。
[0060]
第三工作模式为持续任务工作模式，适用于装置执行较长时间、处理较大数据量的持续性任务的场合。第三工作模式下，mcu主板1获取预设的第三工作模式指令，进行rtc时钟校准(具体的校准过程后述)；然后mcu主板1从lse13获取时钟信号，并根据lse13的时钟信号从压力采集模块2周期性地获取压力信号，此过程中，hse12处于休眠状态(例如，不供电)。即rtc时钟校准作业完成后，mcu主板1按照第一工作模式执行本次持续性任务。
[0061]
mcu主板11被配置为在持续性存储压力量时，仅在持续性任务中的第一刻和最后一刻(对应压力量数据，即为第一个压力量数据和最后一个压力量数据)，记录时间戳，即仅记录持续任务的开始时间和结束时间，同时记录采集频率，对于过程中的其它压力量数据不记录其采集时刻。
[0062]
第三种工作模式通过rtc时钟校准，从而使lse在一个较长时间(即lse13的工作时间)内产生的时间偏差被控制在比较小且不影响计量的范围内，在此基础上，记录检测的各压力数据的起止时间，根据压力检测的频率，将各压力数据和时间形成了一一对应的关系，忽略中间部分时间戳可以节省存储空间，但又不影响正常检测记录。对于较长时间、且数据量大的持续任务，可以按照预定的时间或数据量间隔记录检测的压力值对应的时间戳。
[0063]
默认的，mcu主板1按照第一工作模式工作。在第一工作模式下，当前一时刻和当前时刻(两时刻的工作时钟为lse)的标准压力值小于预设阈值，即压力校验装置处于校准作业中的稳压阶段时，则mcu主板1切换至第二工作模式。
[0064]
执行rtc时钟校准任务时，以hse12的信号作为时钟基准，以lse13的信号作为被校准时钟信号，cpu11可预设时钟校准周期，mcu主板1可对低频晶振13进行周期性校准。或者，周期读取hse的参考时钟的时间和lse的工作时钟的时间，并计算二者的时间差，若二者的时间差大于预设时间差阈值时，基于hse的参考时钟对lse的工作时钟进行校准。
[0065]
rtc时钟校准过程如下：
[0066]
在mcu主板1的处理单元11通过设置的第一定时器tim1采集hse(参考时钟)的周期
数、通过设置的第二定时器tim2采集lse(工作时钟)的周期数，且使所述第二定时器tim2和所述第一定时器tim1同步开始计数，并在在预定的时间内同步结束计数，使得在相同的时间内，参考时钟的周期数为n
h
，工作时钟的周期数为n
l
，根据已知参考时钟的频率f
h
，结合在相同时间内测量的参考时钟的周期数为n
h
和工作时钟的周期数为n
l
，按照式(1)计算得到校准后的低频晶振(lse)频率f
l
作为校准后的工作时钟频率：
[0067]
f
l
＝f
h
×
n
l
/n
h
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0068]
校验过程中，使用计算得到的校准后的lse频率f
l
进行时间计量。
[0069]
上述rtc时钟校准过程中，实现第二定时器tim2与第一定时器tim1同步计数，一种实施方式是，第二定时器tim2启动计数时，向第一定时器tim1发送第一同步信号，并触发第一定时器tim1同步启动计数，同样的，在预定时间内，第二定时器tim2结束计数时，向第一定时器tim1发送第二同步信号，并触发第一定时器tim1同步结束计数。
[0070]
一般来说，作为时钟的晶振，频率越高，不确定度越小，对应的，以该晶振为时钟的计时精度越高。
[0071]
本该实施例的技术方案中，hse12通过pll电路112进行倍频处理，例如，倍频系数为10，hse12的基本频率为12m，倍频后，hse12提供的用于lse13校准的倍频频率即为120m；同时，实测数据表明，倍频前后，信号的频偏无变化，例如倍频前为1ppm，倍频后同样为1ppm。
[0072]
因此，通过倍频技术，可将倍频后的高频晶振作为参考时钟对低频晶振的工作时钟进行校准，可以进一步提rtc时钟校准精度。
[0073]
实施例二：
[0074]
该实施例以用于对工业现场的过程仪表进行检定或者校准的过程(仪表)校验装置为例，说明工业现场校验装置的rtc时钟校准过程。图2示出了典型过程校验装置的基本构成：该过程检验装置包括mcu主板1、电信号测量模块3以及电池模块4，进一步的，电信号测量模块3包括电流测量单元31、电压测量单元32、电阻测量单元33以及温度测量单元34，温度测量单元34包括温度传感器，可测量电信号测量模块3的环境温度作为热电偶过程信号校准时的冷端温度。
[0075]
和实施例一的压力校验装置区别之处在于，电信号测量模块3向mcu主板1传递的信息中不仅包括检测的过程量值(例如电流或者电压或者电阻)，还包括环境温度值(来源于温度测量单元)，进一步地，过程量和环境温度量的采集和传递是同步的；
[0076]
mcu主板1被配置为同步部地从电信号测量模块3获取过程量和环境温度量，并在对过程量的处理过程中对环境温度引起的时间偏差进行补偿，基于此，mcu主板1预置有针对相应物理量的环境温度补偿模型；或者，在过程量的检测结果中标注环境温度；或者，当过程量为热电偶时，将环境温度表示为电动势(电压)值的修正值。
[0077]
在进行rtc时钟校准时，对温度引起的时间偏差进行补偿，具体包括：
[0078]
mcu主板1通过温度测量单元获取当前环境温度值，并将当前环境温度值和前一次rtc时钟校准时的环境温度值进行比较，当二者差值大于预设温度阈值时，启动rtc时钟校准作业。
[0079]
一般在开机时，mcu主板1从电信号测量模块3获取环境温度量并进行上述对比判断，如当前环境温度值和前一次rtc时钟校准时的环境温度值之间的差值小于等于预设温
度阈值时，则不启动rtc时钟校准作业，反之，如当前环境温度值和前一次rtc时钟校准时的环境温度值之间的差值大于预设温度阈值时，启动rtc时钟校准作业；如此可在尽可能保证lse13计时精度的基础上，尽可能地减少不必要的rtc时钟校准作业，避免资源浪费。
[0080]
过程校验装置还包括电信号发生模块，电信号发生模块可以和电信号测量模块一体，也可以是相互独立，电信号发生模块包括电流发生单元、电压发生单元和电阻发生单元，电信号发生模块可以产生过程信号量的模拟信号，例如电信号发生模块通过电压发生单元可以产生一个4
‑
20ma的电压信号，用于模拟压力变送器；
[0081]
电信号发生模块可以模拟热电偶信号，例如，mcu主板1预置有标准热电偶热电动势和温度的对应关系表，过程校验装置模拟某个温度t
m
下的热电偶信号时，mcu主板1从电信号测量模块3获取环境温度量t
e
，并根据设定温度以及环境温度，查表得到e(t
m
,0)和e(t
e
,0)，e(t
m
,0)和e(t
e
,0)分别表示标准热电偶在t
m
、t
e
时的热电动势，具体计算式如下：
[0082]
e(t
m
,t
e
)＝e(t
m
,0)
‑
e(t
e
,0)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0083]
式(2)中，e(t
m
,t
e
)即为温度t
m
下的标准热电偶在冷端位于当前环境下输出的热电动势；mcu主板1将上述计算结果发送至电信号发生模块并由电压发生单元产生e(t
m
,t
e
)的电压(模拟信号)。
[0084]
实施例三：
[0085]
该实施例以用于对工业现场的温度仪表进行检定或者校准的温度(仪表)校验装置为例，说明工业现场校验装置的rtc时钟校准过程。图3示出了典型温度校验装置的基本构成：该实施例中，温度校验装置包括mcu主板1以及与mcu主板1电连接的温度采集模块5，其中：
[0086]
mcu主板1包括处理单元(cpu)11以及由高频晶振(hse)12和低频晶振(lse)13形成的时钟模块，hse作为mcu主板1的系统时钟信号源，同时还作为lse的高频校准时钟信号，优选的，hse在作为lse的高频校准信号时，采用倍频技术提高其频率，实现更高的校准精度，例如，使用12m晶振作为hse来产生系统时钟，其基础频偏为1ppm，采用pll电路对hse倍频，常温下实测频偏在1ppm左右，可以对频偏较大的低频晶振进行校准。
[0087]
温度采集模块5包括冷端温度传感器52、电压测量电路53和电阻测量电路54，温度采集模块52根据被测温度元件或温度仪表不同，向mcu主板1发送的信号不同，例如，当被测温度元件为热电偶时，温度采集模块52将冷端温度传感器52测量的冷端温度t
c
和电压测量电路53检测的热电偶热电势e(t
m
,t
c
)传输至mcu主板1，处理单元11根据冷端温度值t
c
和热电势e(t
m
,t
c
)通过查询热电偶分度表得到测量温度值t
m
，其中，热电偶分度表为热电偶的热电势和温度的对应关系表，其配置在mcu主板1的存储器中。具体换算过程如下：
[0088]
e(t
m
,t
c
)＝e(t
m
,0)
‑
e(t
c
,0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0089]
式(3)中，通过冷端温度传感器22测得的冷端温度值t
c
，通过查表得到e(t
c
,0)，结合电压测量电路53检测得到的热电势e(t
m
,t
c
)，由式(3)得到e(t
m
,0)，再次查表可得到测量温度值t
m
。
[0090]
相应的，被测温度元件为热电阻时，温度采集模块5将冷端温度传感器52测量的冷端温度t
c
和电阻测量电路54检测的热电阻电阻值传输至mcu主板1，处理单元11根据获取的电阻值查询电阻
‑
温度对照表得到测量温度。
[0091]
该实施例中，mcu主板1上设有两个晶振(hse和lse)，一般频率较高(精度较高)的
rtc功耗相对也较高，频率较低(精度较低)的rtc功耗相对较低，对于校验装置而言，有些应用场合下，仅需要lse即可满足工作要求，又能降低能耗，优先使用lse作为工作时钟，而hse作为参考时钟处于休眠状态，一旦处理单元11接收到rtc时钟校准请求时，再将参考时钟唤醒。
[0092]
rtc时钟校准时，当处理单元11检测到距最近一次rtc时钟校准时间间隔达到时间t时，就启动rtc动态校准程序进行rtc时钟校准。具体的校准过程参见实施例一。
[0093]
由于rtc晶振的振荡频率会受到温度的变化而漂移，进而产生频偏，因而必须对晶体振荡器时钟进行温度补偿。该实施例中，对晶振的温漂采用的补偿方式是动态补偿：mcu主板1的处理单元11记录rtc时钟校准时的冷端温度值(即环境温度)；并周期性地从温度采集模块52获取测量的冷端温度值，并判断该冷端温度值与上一次rtc时钟校准时的冷端温度值的差值是否超过预设温度阈值(例如10℃)，若二者差值超过预设温度阈值，则处理单元11自动启动rtc动态校准程序。
[0094]
优选的，预设温度阈值为5℃～20℃。
[0095]
实施例四：
[0096]
该实施例以用于对工业现场的温度仪表进行检定或者校准的温度(仪表)校验装置为例，说明工业现场校验装置的rtc时钟校准过程。图4示出了另一温度校验装置的基本构成：与实施例三不同之处在于，温度采集模块5还包括温度信号处理单元51，热电偶分度表和/或电阻
‑
温度对照表配置在温度采集模块5，且低频晶振(lse)13设置在温度采集模块5中作为温度信号处理单元51的时钟。该实施例中，温度采集模块5可独立完成温度量的计算，并向mcu主板1输出测量温度值。
[0097]
进一步的，该实施例的温度校验装置100可设置多个具有不同测量范围或精度的温度采集模块，甚至设置多个压力、湿度等其他检测模块，每一个检测模块均独立完成各自的物理量的计算，并分别传输至mcu主板1。
[0098]
各个检测模块的rtc时钟校准分别进行，均以mcu主板1的hse倍频后的系统时钟为基准进行校准，其rtc时钟校准方法与实施例一基本相同，这里不再赘述。
[0099]
本领域技术人员应当理解，这些实施例或实施方式仅用于说明本发明而不限制本发明的范围，对本发明所做的各种等价变型和修改均属于本发明公开内容。