范卓霞，楊草田

（華立儀表集團(tuán)股份有限公司，杭州310023）

基于SOC方案的電能表日計時誤差控制研究

范卓霞，楊草田

（華立儀表集團(tuán)股份有限公司，杭州310023）

集成多個元件的SOC方案具有成本優(yōu)勢，成為電能表廠家關(guān)注的一個重點，此方案采用晶振外置，日計時誤差容易受到干擾。通過對日計時誤差影響因素的分析可知，主要是受環(huán)境溫度、補償溫度及晶振老化程度等的影響，從器件選擇、布板設(shè)計、焊接工藝等方面提出了控制要求，實踐證明SOC方案的日計時誤差可以達(dá)到與獨立時鐘芯片方案同樣的精度及可靠性要求。

SOC方案；電能表；日計時誤差；可靠性控制

0 引言

電能表的功能已從開始單一的計量，發(fā)展到分時計量、階梯計費、電量凍結(jié)、數(shù)據(jù)存儲及事件記錄等多種復(fù)雜功能，需要電能表具備準(zhǔn)確的RTC（實時時鐘）和日歷功能。自從國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)二大電網(wǎng)公司對電能表實施統(tǒng)一招標(biāo)以來，新的標(biāo)準(zhǔn)增加了產(chǎn)品設(shè)計的難度，也帶來了技術(shù)和成本的挑戰(zhàn)[1]。中標(biāo)的產(chǎn)品價格處于低位，企業(yè)利潤空間很少。目前應(yīng)用最多的SOC（系統(tǒng)級芯片）方案是單片機(jī)內(nèi)置LCD（液晶顯示器）驅(qū)動芯片、時鐘芯片、溫補電路，時鐘芯片晶振外置，SOC作為高度集成的方案，可達(dá)到簡化設(shè)計和降低產(chǎn)品成本的目的，受到電能表生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)注和青睞[2]。

日計時誤差是判定時鐘準(zhǔn)確度的一項重要指標(biāo)，智能電能表要求在參比溫度及工作電壓范圍內(nèi)，時鐘準(zhǔn)確度不應(yīng)超過0.5 s/d；在工作溫度范圍-25℃～+60℃內(nèi)，時鐘準(zhǔn)確度隨溫度的改變量不應(yīng)超過0.1 s/（d·℃），在該溫度范圍內(nèi)時鐘準(zhǔn)確度不應(yīng)超過1 s/d[3]；如何保證SOC方案在整個溫度范圍內(nèi)時鐘的可靠性和準(zhǔn)確度，已成為SOC芯片廠家和電能表廠家研究的課題。

電能表日計時誤差主要取決于時鐘源的特性，以及如何根據(jù)時鐘源的特性做出補償，為此就時鐘實現(xiàn)原理展開討論，并對于相關(guān)誤差影響因素和誤差控制方法（應(yīng)用設(shè)計、器件選擇、工藝控制）等作出一定的分析研究。

1 時鐘實現(xiàn)原理

實現(xiàn)時鐘功能的時鐘源通常有2種：一是基于機(jī)械諧振器件的時鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路，特點是精度高；二是基于相移電路的時鐘源，如：RC，LC振蕩器，特點是成本低，但精度也相對較低。

圖1給出了2種分立的振蕩器電路，其中左圖為皮爾斯振蕩器，右圖為簡單的RC反饋振蕩器。電能表的高精度實時時鐘源一般采用皮爾斯振蕩器。

圖1 振蕩器電路

電能表在停電狀態(tài)時是由電池供電，所以電能表的時鐘源要求超低功耗設(shè)計，只有低頻晶振可用，因為使用高頻振蕩器時，功耗將會大幅增加。目前所采用的典型的32.768 kHz音叉晶體，最大驅(qū)動功率不超過1 μW，滿足低功耗的設(shè)計要求。

32.768kHz音叉晶體不能在寬溫范圍內(nèi)提供較高精度，在一定溫度范圍內(nèi)精度呈拋物線型（見圖2），特定頻率f和溫度T的典型晶體頻率偏差Δf：

式中：f為晶體標(biāo)稱頻率；k為曲率常數(shù)；T為溫度；T0為頂點溫度；f0是頂點溫度下的相對頻偏。

圖2 32.768 kHz晶體頻率變化溫度曲線

SOC時鐘方案芯片的RTC定時器的時鐘源，正常情況下是32 768 Hz晶體振蕩器輸出，每隔20 s對時鐘進(jìn)行一定量的增減來實現(xiàn)時鐘調(diào)校的功能。增減的值即為調(diào)校值，在實時時鐘調(diào)校寄存器和實時時鐘調(diào)校符號位寄存器中設(shè)置。通過對RTC時鐘的調(diào)校，理論上可實現(xiàn)高達(dá)±0.763× 10-6的時鐘精度，對應(yīng)時間的誤差為±0.065 s/d[4-5]。

2 日計時誤差超差分析

2.1 晶體溫度與芯片溫度不一致

由于對載波通道使用的電源電壓和功率都提出較高要求，使得三端穩(wěn)壓塊7805的壓降大大增加，增加了發(fā)熱量。SOC芯片內(nèi)置溫度傳感器，晶體外置，表內(nèi)發(fā)熱器件發(fā)熱后導(dǎo)致晶體和芯片感應(yīng)的溫度不同，這個溫度差會影響高低溫下日計時誤差的精度。

從32.768 kHz晶體拋物線圖可以看出，在20℃～30℃溫度范圍內(nèi)，拋物線頻率變化較小，晶體溫度和芯片溫度溫度相差3℃以上，影響不大。若晶體實際溫度為40℃，Δf/f=10×10-6，若芯片測得溫度為45℃，Δf/f=16×10-6，二者相差6.3×10-6×24×60×60=0.544 s/d，越往溫度兩端，Δf /f相差越大。

2.2 時鐘芯片溫度和標(biāo)準(zhǔn)溫度調(diào)校不一致

電能表時鐘溫度補償調(diào)校不到位，在電能表生產(chǎn)過程中，需在23℃時通過標(biāo)準(zhǔn)時鐘調(diào)校設(shè)備對電能表的時鐘進(jìn)行調(diào)校。若電能表內(nèi)部溫度沒有恒定到23℃時調(diào)校，會使電能表標(biāo)定溫度與實際溫度有差異，導(dǎo)致電能表在環(huán)境溫度變化下補償不足，出現(xiàn)日計時誤差超差的現(xiàn)象。

2.3 停電后的溫度補償

停電后為保證低功耗，必須將電能表中溫度傳感器、ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）及其參考電壓全部關(guān)閉，在喚醒后要建立溫度傳感器、ADC及其參考電壓。ADC參考電壓的建立需要時間，如果沒有提供足夠長的時間使ADC的參考電壓建立，將引起溫度數(shù)據(jù)測量的不可靠[6]。

2.4 晶體沒有老化導(dǎo)致晶體頻率偏移

晶體沒有經(jīng)過一定溫度和一定時間的老化處理，應(yīng)力無法釋放，導(dǎo)致晶體頻率偏移，電能表存儲一段時間或者運行一段時間后產(chǎn)生日計時誤差超差。

2.5 三防工藝未到位

32.768 kHz晶體的振蕩幅度很低，一般在0.8 V～1.0 V，非常容易受到外圍環(huán)境的影響尤其是濕度的影響，容易產(chǎn)生晶體停振或者振幅偏低導(dǎo)致日計時誤差超差。

2.6 焊接導(dǎo)致晶體受傷

溫度對晶體會產(chǎn)生很大的影響，焊接中波峰焊裝置的浴槽室內(nèi)溫度，焊接板材的厚度（熱傳導(dǎo)的影響），插入焊流中晶體引腳的長度等，都會影響晶體的特性。晶體在嵌合部位加熱到200℃以上時，內(nèi)部真空環(huán)境會遭破壞，等效阻抗上升200 kΩ，會產(chǎn)生停振現(xiàn)象。因此，晶體焊接有嚴(yán)格的時間和溫度控制，否則會導(dǎo)致晶頻率產(chǎn)生飄移，產(chǎn)生日計時誤差不合格的現(xiàn)象。

3 日計時誤差控制方法

3.1 器件控制

3.1.1 晶體品牌的選擇

方案設(shè)計初期先對時鐘晶振的溫度曲線進(jìn)行描點，批量驗證晶振的高低溫曲線。溫度曲線有2種獲取方法，第一是描點，第二是采用二次拋物線公式。根據(jù)對溫度曲線的驗證，合理選擇32.768 kHz晶體的品牌，保證批量生產(chǎn)時晶體溫度曲線的一致性，同時要求晶體出廠前進(jìn)行老化處理，去除應(yīng)力。

3.1.2 SOC芯片選擇

從溫度平衡調(diào)校的原理可以看出，溫度在該方案設(shè)計中的重要性。目前對溫度的處理方案有芯片廠家保證溫度傳感器溫度精度，或由電能表廠家根據(jù)溫度平衡的方法調(diào)校溫度。芯片出廠時測溫誤差較大，需要有一個溫度定標(biāo)的過程，要求電能表廠家在調(diào)校日計時誤差前，把電能表模塊和調(diào)校設(shè)備放在恒溫室2 h以上，保證調(diào)校設(shè)備測試的溫度即電能表模塊的溫度，然后用調(diào)校設(shè)備對這批表計模塊進(jìn)行燒寫程序、調(diào)校溫度和日計時誤差工作。

基于上述驗證結(jié)果，要求SOC芯片廠家提供溫度標(biāo)定的芯片，溫度誤差≤±2℃，可以避免因電能表廠家生產(chǎn)環(huán)境和工藝引起的日計時調(diào)校溫度誤差。

3.2 設(shè)計控制

3.2.1 晶振振幅設(shè)計

為避免晶振振幅過低或過高造成晶體停振或損壞，在設(shè)計之初芯片、晶體和PCB（電路印刷板）需要做匹配測試。

3.2.2 停電后的溫度補償

停電喚醒后建立參考電壓需等待一段時間（> 5 ms），然后進(jìn)行溫度傳感器輸出信號的ADC轉(zhuǎn)換，這樣可以保證轉(zhuǎn)換的溫度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

3.2.3 布板設(shè)計

設(shè)計布板時，晶體兩引腳之間開槽（見圖3），增加2個引腳之間的阻抗，這樣盡管晶體的2個焊盤同時焊接，也不至于在兩管腳之間留下助焊劑等雜物，并且要確保晶體的2個引腳與布板地線的安全間距盡可能大。

圖3 晶體布板設(shè)計

同時在布局時，晶體應(yīng)遠(yuǎn)離模塊上的發(fā)熱元件，如電源三端穩(wěn)壓塊應(yīng)盡量遠(yuǎn)離晶體和SOC芯片，以盡可能減少溫度對晶體的影響。

3.3 工藝控制

3.3.1 日計時誤差環(huán)境溫度調(diào)校

根據(jù)大量的試驗驗證，調(diào)校設(shè)備要求易散熱，且需放在空氣容易流動處；如是多個調(diào)校設(shè)備形成設(shè)備組時，設(shè)備之間要求留有足夠的散熱空間；電能表模塊需與調(diào)校設(shè)備一起恒溫放置；芯片的溫度定標(biāo)技術(shù)可解決環(huán)境溫度問題。

3.3.2 晶振焊接

晶體焊接要有嚴(yán)格的時間和溫度控制，要求定時巡檢電烙鐵溫度和波峰焊爐溫度。選擇波峰焊或手工焊接時，要求基板表面的溫度及晶振外殼或者嵌合部的最高溫度不能超過180℃。

3.3.3 三防工藝

超聲波清洗要求避開32 kHz附近，一般選擇40 kHz，以免損傷晶體。

在保持一定溫度的情況下將三防漆涂在32.768 kHz晶體的周圍，包括晶體本身和晶體相連的芯片管腳，涂漆要求有一定的厚度，避免將部分水氣附到模塊上。

應(yīng)通過嚴(yán)格的鹽霧試驗（一個周期24 h）和交變濕熱試驗（144 h），這些對于SOC方案日計時誤差控制是非常的重要。

4 試驗驗證

客戶驗收要求在參比溫度及工作電壓范圍內(nèi)，時鐘準(zhǔn)確度不應(yīng)超過0.5 s/d。電能表廠內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)：出廠抽檢不超過0.35 s/d，車間終檢不超過0.3 s/d，車間調(diào)校不超過0.25 s/d。

對SOC方案電能表的器件、設(shè)計和工藝進(jìn)行有效控制后，選取用此方案設(shè)計和生產(chǎn)的10 000只單相遠(yuǎn)程費控智能表作為樣本進(jìn)行跟蹤，二檢和出廠抽檢合格率為100%。

選擇2種存儲方式放置2個月后：5 000臺用塑料袋包裝后放入周轉(zhuǎn)箱，放置在開窗的走廊里；另5 000臺用簡易包裝后放置在整表倉庫里。2個月后復(fù)檢日計時誤差和電能表時間，合格率為100%。選取200臺進(jìn)行沖擊和振擊試驗，再復(fù)檢日計時誤差，合格率為100%，進(jìn)行高低溫存儲試驗，再復(fù)檢日計時誤差，合格率為100%；實際銷售數(shù)量已超過50萬只，國家電網(wǎng)計量中心的電能表時差精度抽檢記錄見表1。

表1 電能表時差精度測試數(shù)據(jù)比對

5 結(jié)語

經(jīng)過電能表樣表測試數(shù)據(jù)和大批量生產(chǎn)驗證，通過器件、設(shè)計、工藝三方面的有效控制，SOC時鐘方案的日計時誤差的精確度和可靠性，完全能達(dá)到與獨立芯片同樣的技術(shù)性能，滿足客戶對智能電能表的要求。

[1]國家電網(wǎng)公司.Q/GDW 1354智能電能表功能規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2013.

[2]唐文亮.基于SOC技術(shù)的單相智能電表的設(shè)計與實現(xiàn)[D].湖南：湖南大學(xué)，2012．

[3]國家電網(wǎng)公司.Q/GDW 1364單相智能電能表技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2013.

[4]張軍.非線性時鐘溫度漂移的二階修正算法[J].計量技術(shù)，2013（9）∶30-34．

[5]公茂法.黃鶴松．單片機(jī)原理與實踐[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009．

[6]張曉蕓，高玉竹.基于寄存器狀態(tài)的低功耗時鐘設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2013（11）∶1-4．

[7]孫培強(qiáng).正確選擇統(tǒng)計判別法剔除異常值[J].計量技術(shù), 2013（11）∶71-73．

[8]袁金燦，馬進(jìn)，王思彤，等.智能電能表可靠性預(yù)計技術(shù)[J].電力自動化設(shè)備，2013，33（7）∶161-166．

（本文編輯：楊勇）

Research on Daily Timing Error Control of Watt-hour Meter Based on SOC Scheme

FAN Zhuoxia，YANG Caotian
（Holley Meter Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310023，China）

The system on a chip（SOC）scheme which integrates multiple elements becomes a focus of Watthour meter manufacturers due to its cost advantage.This scheme adopts external crystal oscillator，so daily timing error is vulnerable to interference.Through analyzing influencing factors of daily timing error，it is obtained that daily timing error is mainly affected by ambient temperature，compensation temperature，aging degree of crystal oscillator and etc.This paper presents control demands from aspects of device selection，fabric swatch design，welding technology and so on.It is verified that daily timing error based on SOC scheme can achieve the same accuracy and reliability requirements as the independent clock chip scheme.

SOC scheme；Watt-hour meter；daily timing error；reliability control

TM933.4

：B

：1007-1881（2014）05-0033-04

2014-03-25

范卓霞（1965-），女，浙江奉化人，工程師，從事電能表制造工藝研究。