一种自动装置高精度守时方法与流程

本发明涉及一种自动装置(微机保护装置、故障录波装置、数据集中器装置、电能计量装置等自动化设备)高精度守时方法，属于电力系统自动化技术领域。

背景技术：

现在电站大多采用不同厂家的自动化装置，微机保护装置，故障录波装置，电能计量装置，计算机监控系统等。随着智能变电站建设的深入,智能自动化装置的对时间精度指标有了进一步的要求。比如录波装置和数据集中器装置在外部同步信号消失后,至少能在24h内满足±1s同步精度要求。这就要求二次自动化设备必须具备高精度的系统守时功能。常用的DS3232时钟芯片用来守时的设计一般是通过CPU或者FPGA通过I2C接口来读取RTC芯片中存储的时间信息来进行守时，但是这种时钟芯片内部存储的时间信息只能精确到秒，因此在外部授时信号消失的情况下，如果仅靠I2C读取内部时间信息的方法进行守时会造成系统时间的较大误差。

目前有以下几种方式能提高自动化装置系统守时精度的方案。

参见图1，方案A：利用温补晶振TCXO作为系统定时器晶振，主要是利用温补晶振的高频率精度参数进行计数，达到减小守时误差的目的。方案A主要是使用高精度的温补晶振TCXO作为自动化装置的工作晶振，这种方案的精度主要取决于温补晶振的频率精度，而且由于使用了独立的工作晶振，在不采用频率补偿和相位补偿的基础上会造成系统时间的不同步，而且精度越高的温补晶振，成本也比较高。

参见图2，方案B：利用RTC芯片的I2C接口定时读取时间存储器的内容，然后更新系统时间信息。方案B在外部GPS对时信号消失后依靠RTC内部的时间寄存器进行守时，时间精度完全依赖CPU的定时器中断时间，系统守时的精度最差。

参见图3，方案C：直接利用CPU的主频时钟进行定时器计数，首先对GPS的秒脉冲宽度进行计数，进行插值平滑得到主频时钟的补偿系数，然后对计数器值进行变换，减小CPU主频频率偏差。方案C直接利用CPU对主频时钟进行插值平滑进行补偿，由于CPU主频采用普通的晶振，频率偏差较大，CPU需要频繁的进行插值计算，增加了CPU的负荷，降低了CPU的运行效率。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种自动装置高精度守时方法，在不改变原来RTC电路拓扑的基础上，利用RTC脉冲进行守时，在降低设计成本的同时，又能满足电站二次自动化设备装置对于守时精度的要求。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的一种自动装置高精度守时方法，具体包括以下几个步骤：

(1)自动装置上电后，FPGA从RTC读取时间信息，并保存到内部32位时间寄存器中；

(2)开始检测是否有GPS外部授时脉冲存在，如果外部GPS脉冲存在，转向步骤(3)，如果GPS脉冲不存在，转向步骤(5)；

(3)判断GPS秒脉冲在授时过程中是否丢失，如果没有丢失，FPGA直接检测GPS秒脉冲上升沿及每个GPS上升沿时刻，并转向步骤(6)，如果丢失，保存GPS时间到RTC，然后判断RTC脉冲与GPS脉冲是否同步，如果同步则转向步骤(2)，如果不同步则转向步骤(4)；

(4)FPGA通过检测GPS秒脉冲上升沿来维护内部计数器SysTimeCnt，当GPS秒脉冲上升沿到来，读取SysTimeCnt值，同时清零进行下次计算，然后计算32.768KHz与GPS的秒脉冲之间相位和频率关系，从而达到外部GPS脉冲与32.768KHz脉冲频率和相位同步；

(5)FPGA开始对RTC的32.768KHz脉冲进行计数，计数值等于32767+Coff_Reg时表示1秒，然后转向步骤(6)；

(6)系统内部时间寄存器值加1，然后产生CPU中断请求，CPU收到中断请求后进行中断处理，得到FPGA发送来的整秒时间和自身内部计数器的纳秒时间信息后，进行系统时间更新。

步骤(1)中，FPGA从RTC通过I2C总线读取时间信息。

本发明的一种用于变电站自动化装置在外部GPS对时信号丢失时可以进行高精度守时的技术方案，该方案不需要价格昂贵的温补晶振，而是利用RTC芯片自身的32.768kHz的脉冲进行守时，降低了生产成本；本发明利用FPGA对GPS的脉冲的上升沿对RTC的32.768kHz脉冲进行频率和相位校正，产生一个跟GPS秒脉冲同步的中断信号，在GPS秒脉冲信号丢失时依然能保持高精度的守时需求；本发明在RTC芯片只能保存整秒的时间信息的基础上增加纳秒信息，提高了自动化装置的守时精度。

附图说明

图1为高精度温补晶振方案原理图；

图2为I2C读取RTC时间信息方案原理图；

图3为CPU守时设计方案原理图；

图4为本发明的守时方案原理框图；

图5为本发明的FPGA中断请求时序图；

图6为GPS秒脉冲同步处理时序图；

图7为系统工作流程图；

图8为CPU守时工作流程图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明所要解决的技术问题是外部GPS授时脉冲丢失后，如何高精度的进行系统守时，具体的实现原理如下：

参见图4，FPGA对RTC的32.768kHz的脉冲进行计数，从0计数到32767就是1s，然后FPG A产生一个中断请求Irq给CPU，CPU在中断中记录自身计数器值(在I.MAX6中,用64bit的Timebase值),然后对计数器进行插值平滑记录CPU中断到读取FPGA时间信息需要的时间偏差,计算得出CPU计数值和RTC的32.768kHz的相位关系,这样达到CPU自身时钟与RTC的脉冲的频率同步和相位同步的目的，在外部GPS秒脉冲丢失时能保证高精度的守时需求。

参见图5，在FPGA内部维护1个计数器CntNum对RTC的32.768kHz的脉冲进行计数，记满32768个脉冲就是1秒，此时产生中断请求信号给CPU，CPU利用内部定时器进行插值平滑算法，达到时间精度需求。

FPGA与GPS授时秒脉冲同步设计

参见图6，FPGA内部另外一个计数器SysTimeCnt是对GPS的秒脉冲到来时刻开始计数，工作时钟为50MHz，分辨率为20ns，通过该计数器值的插值计算RTC脉冲与GPS的频率关系和相位关系，并把计算得到的系数放到系数寄存器Coff_Reg中，该寄存器可以通过USART进行访问，用来计算CPU内部Timebase与RTC 32.768kHz脉冲的关系。

参见图7，在本发明方案中，装置上电后，FPGA通过I2C总线读取RTC的日历信息，从而达到断电守时的功能，然后进行GPS脉冲检测，RTC脉冲与GPS秒脉冲频率同步，GPS脉冲存在时，系统使用GPS时间，在GPS秒脉冲消失后对RTC脉冲进行计数，在整秒时刻产生中断请求给CPU，通知CPU进行系统时间的校正。

具体步骤如下：

(1)自动装置上电后，FPGA从RTC读取时间信息，并保存到内部32位时间寄存器中；

(2)开始检测是否有GPS外部授时脉冲存在，如果外部GPS脉冲存在，转向步骤(3)，如果GPS脉冲不存在，转向步骤(5)；

(3)判断GPS秒脉冲在授时过程中是否丢失，如果没有丢失，FPGA直接检测GPS秒脉冲上升沿及每个GPS上升沿时刻，并转向步骤(6)，如果丢失，保存GPS时间到RTC，然后判断RTC脉冲与GPS脉冲是否同步，如果同步则转向步骤(2)，如果不同步则转向步骤(4)；

(4)FPGA通过检测GPS秒脉冲上升沿来维护内部计数器SysTimeCnt，当GPS秒脉冲上升沿到来，读取SysTimeCnt值，同时清零进行下次计算，然后计算32.768KHz与GPS的秒脉冲之间相位和频率关系，从而达到外部GPS脉冲与32.768KHz脉冲频率和相位同步；

(5)FPGA开始对RTC的32.768KHz脉冲进行计数，计数值等于32767+Coff_Reg时表示1秒，然后转向步骤(6)；

(6)系统内部时间寄存器值加1，然后产生CPU中断请求，CPU收到中断请求后进行中断处理，得到FPGA发送来的整秒时间和自身内部计数器的纳秒时间信息后，进行系统时间更新。

CPU与FPGA的接口设计以及误差校正

参见图8，在GPS脉冲丢失后，RTC脉冲与GPS已经进行了同步校正，对RTC脉冲的计数器值已经进行了插值平滑，保证FPGA的中断请求与GPS的秒脉冲信号已经做到了频率同步和相位同步。CPU在收到中断请求后读取内部的计数器值到64bits的Timebase中，CPU对计数器值插值平滑后更新系统时间，完成自动化装置的守时。

与背景技术中的方案A相比较，采用本发明的自动化装置守时方案，在不改变原有电路设计的基础上利用RTC等RTC芯片的32.768kHz的脉冲输出作为FPGA计数器的输入时钟，而RTC芯片的该脉冲输出在-40～85℃的工作环境下频率误差仅为±3.5ppm(1ppm为百万分之一)，这样配合频率补偿和相位补偿算法，满足电力自动化装置守时精度的要求，而且降低了成本。

与背景技术中的方案B相比较，采用本发明的自动化装置守时方案，首先对GPS的1pps秒脉冲对RTC的32.768kHz脉冲进行频率同步和相位同步，在1pps信号消失后，利用校正后的脉冲进行守时，可以在RTC的内部寄存器基础上增加纳秒的时间信息，大大提高自动化装置的守时精度。

与背景技术中的方案C相比较，采用本发明的自动化装置守时方案，采用的RTC的输出脉冲频率精度在工业范围内为±3.5ppm，由于普通的晶振，另外使用了FPGA进行对该脉冲计数进行频率校正和相位校正，CPU只需要在1s的时刻进行回读即可，大大降低了CPU的负荷，提高了CPU的运行效率。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。