NB-IoT设备的睡眠定时器的数字石英温度和漂移补偿的方法和装置

摘要

本发明公开了一种NB‑IoT设备的睡眠定时器的数字石英温度和漂移补偿的方法和装置。本发明的目的是寻找一种用于在NB‑IoT设备进行有效的石英晶体温度和漂移补偿的方式，该目的通过包括以下步骤的方法得以解决：确定所述石英晶体频率偏移相对于外部参考的温度相关性，生成石英晶体参数；存储石英晶体参数以用于进一步处理；获取温度传感器测量的温度；计算由于其温度相关性和所测温度而引起的石英晶体频率偏移的偏差，并根据石英频率偏移的偏差生成用于睡眠定时器的补偿脉冲，以调整NB‑IoT设备的睡眠定时器的计数器值。该目的也将通过执行本发明方法的装置得以解决。

说明书

技术领域

本发明涉及一种NB-IoT设备的睡眠定时器的数字石英温度和漂移补偿的方法。

本发明还涉及一种NB-IoT设备的睡眠定时器的数字石英温度和漂移补偿的装置。

背景技术

窄带物联网(NB-IoT)设备是相当新的。这些设备通常连接到IoT网络(物联网)，其使用/生产成本低廉，并且数量庞大。

许多物联网设备一旦投入运行将无法对其进行物理访问。这些设备例如是放置在街道，动物或其他不易接近位置的传感器。由于电池无法被充电或更换，保护和节省这些设备的电池电量非常重要。此外，这些设备仅在向网络发送或提供数据时被短时间唤醒，大多数情况下，这些设备处于睡眠模式。对于一些应用程序，NB-IoT设备在指定的时间点提供并发送其数据这一点很重要，因此，确保这些设备在具体的指定时间被唤醒是很重要的。因此，窄带物联网(NB-IoT)设备包括具有石英晶体的睡眠定时器，以便在长时间的深度睡眠周期后被唤醒并发送所需数据。

对于物联网应用，通常将X截晶体用于NB-IoT设备的32kHz睡眠定时器。

众所周知，通常地，X截晶体的温度相关性呈抛物线形，其中偏移显示出如下特性：

其中c

图1显示了温度系数c

直至目前，温度测量设置中石英温度的补偿和漂移补偿都是通过模拟方式进行的，其或者是通过受控加热的石英晶体来进行，或者是通过作为石英频率的“牵引电路”来进行。

对于窄带物联网(NB-IoT)设备，使用具有功耗加热功能的石英晶体来补偿由于睡眠定时器的石英晶体的温度相关性而引起的漂移是绝对不利的。

因此，本发明的目的是提供一种方法和装置，其允许利用这种NB-IoT设备中通常使用的石英振荡器的已知特性，以便补偿温度和由于温度导致的石英晶体频率漂移，并使该设备成本更低、功耗更低、且更为灵活。通常，希望找到一种在NB-IoT设备中实现有效的石英晶体温度和漂移补偿的方法。

发明内容

本发明的目的将通过一种对窄带物联网(NB-IoT)设备所使用的睡眠定时器的石英晶体相对于额定频率进行数字温度和漂移补偿的方法得以解决，该方法包括以下步骤：

-确定石英晶体频率偏移相对于外部参考的温度相关性，从而得出石英晶体参数；

-存储石英晶体参数以进行更进一步处理；

-获取由温度传感器测量的温度；

-计算由于其温度相关性和所测温度引起的石英晶体频率偏移的偏差；以及

-根据石英晶体频率偏移的偏差为睡眠定时器生成补偿脉冲，以调整NB-IoT设备的睡眠定时器的计数值。

具体实施方式

在描述本发明方法的其他优选和有利实施例之前，考虑用于NB-IoT设备的睡眠定时器的这种石英晶体的工作原理及其温度相关性。

众所周知，必须考虑静态偏移和动态偏移因素才能补偿其在NB-IoT设备中的影响，该NB-IoT设备在睡眠定时器中使用石英晶体进行计数并确定其活动和空闲周期。

首先考虑静态偏移因素。通常，测得的温度T以及石英晶体参数c

单独查看每个因素可以进行以下简化：

可以为石英晶体的每个参数(温度T，温度系数c

为了评估整体石英温度和漂移补偿，还必须考虑动态偏移因素。

根据公式(公式1)计算出的频率偏移d

到目前为止，所有关于不确定性和分辨率的计算都是在静态、但不确定测量温度和静态石英晶体参数的假设下完成的。实际上，温度是时间的函数，最简单地被建模为线性相关：

T＝T(t)＝gT·t+Ts

(公式7)

将公式(公式7)代入公式(公式1)，得到：

d

(公式8)

因此，当温度变化并且仅以特定间隔Δt采样时，累加频率偏移。这在图4中进行了描述，该图使用公式(公式8)作为暂时温度相关性。图4显示了频率偏移d

求解积分得出：

经过各种转换，最终得出：

根据公式(公式11)计算出的误差基本上描述了在仅使用精确采样时间而没有任何插值时计算出的值进行的补偿。换言之，积分P

但是，通过分段梯形可以获得更好的近似值：

现在，用公式(公式12)的新近似值替换公式(公式9)中的P

只要温度在变化，该剩余(不可补偿)误差将在每个采样间隔中产生。对于最坏情况的估计，应考虑整个工作范围ΔT

并且其采样间隔数因此为：

因此，此全范围温度扫描的总的应计算的误差是步数和每步不可补偿误差的乘积，如公式(公式13)所示：

对于恒定温度，由静态因素定义的全局误差范围的允许偏移，例如0.5ppm,累加成总偏移：

e

(公式17)

现在，假设根据公式(公式16)的总时间偏移不应超过静态影响，则可以得出以下关系式：

然后转换为

因此，采样间隔Δt应与假定或测得的温度梯度g

根据上述所有偏移的影响，实际频率相对于额定频率可能太慢或太快。由于实际频率驱动着睡眠定时器计数器，因此这意味着在给定时间间隔内累加的计数器值相差多个刻度，并且该值太低或太高。如上所述，可以根据主要测得的温度T函数确定频率偏移d(T)。有了这一知识，就有可能补偿睡眠定时器的反偏。基本为：

C

(公式20)

为了补偿该偏差，必须在间隔Δt期间加/减C

所以

C

(公式22)

且因此

公式(公式21)也许显得繁冗，但它反映了这样一个事实：尽管频率偏移d

结合公式(公式21)和公式(公式24)，得到:

inc＝|d

(公式25)

和

在推导本发明方法基础的理论之后，在一个实施例中优选以固定的温度采样间隔获取温度。这是本发明方法的最简单形式，并且最适合于温度基本稳定的环境，因为仅需要补偿静态频率偏移。

在本发明方法的另一个优选实施例中，以自适应温度采样间隔获取温度。这意味着将在每个新的采样点动态重新选择温度采样间隔，以使得基本由采样间隔期间的温度波动引起的不可补偿误差最小化。在实际情况下，用于确定下一个采样间隔的参数(温度差，偏移)的分辨率低于这些类型数据的分辨率。这是在不牺牲控制间隔选择能力的情况下节省实施中的功率和面积的情况。

在本发明方法的另一个实施例中，基于最多四个温度范围来选择温度采样间隔。这将通过指定三个极限值来实现，这三个极限值作为睡眠定时器所用石英晶体的拐点温度T

在本发明方法的另一个实施例中，基于先前采样点与当前采样点之间的温度差来选择温度采样间隔。当在动态温度变化或高温度梯度的环境中运行时，将使用此方法，其具有在消耗了一些功率的测量频率和补偿精度之间保持良好平衡的优势。

在本发明方法的另一个实施例中，基于先前温度测量时用于补偿的预测偏移以及当前测量确定的先前间隔的计算偏移乘以先前采样间隔的长度，选择温度采样间隔。这导致残留偏移，该残留偏移需要在下一个采样间隔开始时进行后向补偿。当温度波动再次出现较大变化时，将使用此方法，其具有将每个新采样时间的后补偿量最小化的优点。

在本发明方法的进一步实施例中，基于先前采样点与当前采样点之间的温度差，以及先前温度测量时用于补偿的预测偏移和当前测量确定的先前间隔的计算偏移乘以先前采样间隔的长度，选择温度采样间隔。这是根据权利要求5和6要求保护的本发明方法的实施例的组合。当存在未知的热环境时，将使用此方法，其对于在任意条件下提供良好的补偿具有优势。

并且，在本发明方法的另一个进一步实施例中，外部参考是NB-IoT正在与之通信的无线小区。由于无线小区的时钟非常准确，因此最好在NB-IoT设备的活动周期内使用无线小区的时钟来调整NB-IoT设备的睡眠定时器的时钟，从而在更长的睡眠周期内补偿石英温度和漂移，这具有很大的优势。

从中可以看出本发明方法的优点，即该方法提供了对于石英晶体由于温度相关性而导致的漂移特性进行补偿的可能性。由于在NB-IoT设备的睡眠周期内，仅石英晶体的脉冲可用，因此仅将石英频率用作参考。通过根据已知特性补偿石英频率，可以补偿和校正任何漂移和偏差。在活动阶段，NB-IoT可以从连接的无线小区获取参考时间指示。可以相对于无线电单元的频率来确定石英晶体频率，以获得真实的差值。有了这些知识，就可以调整石英晶体频率的曲率和位移。

本发明的目的还将通过一种对窄带物联网(NB-IoT)设备的睡眠定时器进行数字石英温度和漂移补偿的装置得以解决。该装置包括：温度传感器，其连接到温度获取模块；偏移计算模块，其连接到内部存储模块；以及温度获取模块，其用于根据温度传感器测得的温度值，计算和确定睡眠定时器的石英晶体的石英频率的由于其温度相关性的偏移，睡眠定时器(11)连接至用于数字石英温度和漂移补偿的装置，该装置还包括调节发生器，用于根据测得并确定的睡眠定时器频率偏移的温度相关性，在睡眠阶段为NB-IoT设备的睡眠定时器提供调谐脉冲，调节发生器连接至偏移计算模块和一个控制有限状态机(FSM)，FSM控制温度采集模块，内部存储模块和调节发生器。

根据采集的温度测量值和有关频率偏移的信息，石英温度和漂移补偿(QTDC)负责平衡偏差，该偏差为例如睡眠定时器的32kHz的晶体相对于额定频率的偏差。然后调节发生器产生用于睡眠定时器的补偿脉冲，该脉冲用于在睡眠定时器中调节睡眠定时器的计数值。

有限状态机用于控制补偿过程。它根据寄存器设置确定采样间隔，获取温度并控制补偿脉冲的产生。

在本发明的窄带物联网(NB-IoT)设备的睡眠定时器的数字石英温度和漂移补偿的装置实施例中，调节发生器是小数分频器。小数分频器(也称为时钟分频器，分频器或预分频器)是一种电路，其接收频率为f

在本发明装置的另一实施例中，温度传感器包括数字接口。这样做的好处是使用了例如广泛采用I2C或SPI接口的现有传感器。

下面将使用示例性实施例更详细地解释本发明。

附图示出：

图1温度系数C

图2拐点温度T

图3静态偏移d

图4温度采样间隔Δt对石英频率偏移的影响；

图5小数分频器；

图6本发明方法的工作流程；

图7NB-IoT设备的睡眠定时器的数字石英温度和漂移补偿的发明装置。

图6示出了本发明窄带物联网(NB-IoT)设备的睡眠定时器的石英晶体相对于额定频率进行数字温度和漂移补偿的方法的工作流。在第一步中，将确定用于睡眠定时器的石英晶体的石英晶体参数是否已知；如果这些参数未知，则需要通过单独测量来确定参数，但这对于批量生产设备不利。还可以根据外部参考来确定参数，例如前面提到的连接的无线小区。

如果石英晶体参数已知或已确定并存储以供进一步处理，则获取由温度传感器测量的温度。利用所获取的温度，确定由于温度相关性以及所测量的温度而导致的石英晶体频率偏移的偏差，并且根据该石英晶体频率偏移的偏差来计算用于睡眠定时器的石英晶体的补偿脉冲，以便调整NB-IoT设备的睡眠定时器的计数器值。因此，为了产生频率为参考时钟的分数的脉冲、也即睡眠定时器的石英晶体时钟或NB-IoT设备所连接的无线小区的时间指示的分数的脉冲，使用小数分频器。

图7示出了NB-IoT设备1的睡眠定时器11的数字石英温度和漂移补偿的本发明装置的示例性设置。该装置包括：温度传感器2，其连接到温度获取模块3；偏移计算模块4，其连接到内部存储模块5；以及温度获取模块3，其用于根据温度传感器2测得的温度值，计算和确定用于睡眠定时器11的石英频率的由于其温度相关性的偏移，小数分频器6用于根据测得并确定的睡眠定时器11频率偏移的温度相关性，在睡眠阶段为NB-IoT设备1的睡眠定时器11提供调谐脉冲。小数分频器6连接到偏移计算模块4和控制有限状态机(FSM)7，而FSM7控制温度获取模块3，内部存储模块5和调节发生器6。

参考标记列表

1 NB-IoT设备的数字石英温度和漂移补偿

2 温度传感器

3 温度采集模块

4 偏移计算模块

5 内部存储模块

6 调节发生器，例如.小数分频器

7 有限状态机(FSM)7

11 睡眠定时器