一種實(shí)時(shí)鐘電路自我修正的方法

周永川，馬迅

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050200）

一種實(shí)時(shí)鐘電路自我修正的方法

周永川1，馬迅2

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050200）

實(shí)時(shí)鐘電路一般由晶體振蕩電路產(chǎn)生時(shí)鐘計(jì)時(shí)信號(hào)，由于電路、晶體以及相關(guān)元器件老化等原因會(huì)導(dǎo)致晶體振蕩電路的頻率逐漸發(fā)生漂移，進(jìn)而導(dǎo)致電路計(jì)時(shí)產(chǎn)生偏差。針對(duì)上述問題，研究并完成了一種實(shí)時(shí)鐘電路在正常使用中進(jìn)行自我檢測(cè)并修正的方法。該方法可以檢測(cè)實(shí)時(shí)鐘電路輸出秒脈沖和標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖之間的頻率及相位關(guān)系，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)晶體振蕩電路進(jìn)行調(diào)整。介紹了該方法的原理和實(shí)現(xiàn)方案，并通過實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了該方法的可行性和先進(jìn)性。該方法已經(jīng)在批量生產(chǎn)的實(shí)時(shí)鐘電路中成功應(yīng)用，修正效果顯著，可有效減少產(chǎn)品后期維護(hù)的時(shí)間和成本。

實(shí)時(shí)鐘；高精度；秒脈沖；相位；修正策略

0 引言

采用直接序列擴(kuò)頻體制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有信息隱蔽和抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其是長(zhǎng)碼直捕在軍事等特殊領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用［1］。導(dǎo)航接收機(jī)捕獲、跟蹤的關(guān)鍵是確定起始捕獲時(shí)刻，起始時(shí)刻越準(zhǔn)確，捕獲時(shí)間越短，捕獲過程越簡(jiǎn)易。接收機(jī)采用高精度的實(shí)時(shí)鐘電路可以極大地減小捕獲模塊的復(fù)雜度，提高捕獲速度［2，3］?，F(xiàn)有實(shí)時(shí)鐘電路常用技術(shù)是通過預(yù)測(cè)晶體老化率定期對(duì)晶體振蕩電路進(jìn)行補(bǔ)償［4，5］，這樣通過預(yù)測(cè)晶體老化率的方法本身就存在準(zhǔn)確度低的問題，而且電路經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)使補(bǔ)償?shù)恼`差變大［6］。因?yàn)閷?dǎo)航接收終端設(shè)備在完成捕獲跟蹤后，能夠從導(dǎo)航衛(wèi)星獲得標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息，所以，利用該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)鐘電路自動(dòng)檢測(cè)并對(duì)晶體振蕩電路進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，該方法能夠在接收機(jī)正常工作時(shí)持續(xù)運(yùn)行，修正電路輸出時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的差值。實(shí)驗(yàn)證明，該方法能夠避免預(yù)測(cè)晶體老化率不準(zhǔn)確的問題，而且能夠同時(shí)解決除晶體外其他相關(guān)元器件老化因素的影響。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 實(shí)時(shí)鐘電路工作模式

實(shí)時(shí)鐘電路通常采用雙電源供電，主電源供電時(shí)為正常工作模式，可以通過接口總線讀取電路內(nèi)部計(jì)時(shí)寄存器，電路還能輸出時(shí)鐘信號(hào)和秒脈沖信號(hào)等；后備電源（一般為紐扣電池）供電時(shí)為待機(jī)守時(shí)模式，此模式下電路只能進(jìn)行內(nèi)部補(bǔ)償和計(jì)時(shí)，其余模塊和接口不再供電，因此外部微處理器不能對(duì)實(shí)時(shí)鐘電路進(jìn)行操作，電路也不輸出時(shí)鐘信號(hào)、秒脈沖信號(hào)等［7，8］。

實(shí)時(shí)鐘電路在守時(shí)模式下會(huì)根據(jù)溫度變化自動(dòng)從內(nèi)部EEPROM讀出補(bǔ)償值來調(diào)整振蕩電路的頻率，維持實(shí)時(shí)鐘電路輸出精確的秒脈沖［9］。考慮到手持移動(dòng)設(shè)備待機(jī)時(shí)間的問題，另外當(dāng)實(shí)時(shí)鐘電路進(jìn)入待機(jī)守時(shí)模式后，電路的各個(gè)接口基本都是停止工作的，對(duì)實(shí)時(shí)鐘電路中的振蕩電路精度進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整的條件并不具備，因此，本文所提及的方法也只是在實(shí)時(shí)鐘電路處于正常工作模式下才進(jìn)行。

1.2 檢測(cè)和調(diào)整方案

實(shí)時(shí)鐘電路在由備用電源供電轉(zhuǎn)為主電源供電、外部輸入標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號(hào)和10 MHz的時(shí)鐘信號(hào)條件下會(huì)進(jìn)入微調(diào)模式，用外部輸入的10 MHz時(shí)鐘計(jì)數(shù)，計(jì)算電路輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位差和相位關(guān)系［10］，包括輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相對(duì)位置關(guān)系，即輸出秒脈沖超前于還是滯后于輸入秒脈沖，以及通過連續(xù)2次檢測(cè)判斷輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間相位差的變化趨勢(shì)。

根據(jù)檢測(cè)出的輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位差和相位關(guān)系，判斷是否對(duì)提供給振蕩電路的補(bǔ)償值進(jìn)行修正，不需要修正時(shí)繼續(xù)檢測(cè)輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位差和相位關(guān)系。需要進(jìn)行修正時(shí)，根據(jù)相位關(guān)系對(duì)振蕩電路的補(bǔ)償值進(jìn)行修正，即對(duì)補(bǔ)償值加1或者減1，修正補(bǔ)償值后繼續(xù)檢測(cè)輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位關(guān)系，判斷是否繼續(xù)修正，直至修正到電路輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位差不超過1個(gè)10 MHz時(shí)鐘周期，鎖定此時(shí)的補(bǔ)償值，將鎖定的補(bǔ)償值寫入EEP-ROM的相應(yīng)地址空間.

將EEPROM中每個(gè)地址空間的最高位作為補(bǔ)償值的修正狀態(tài)指示，默認(rèn)情況下為0，修正后的補(bǔ)償值寫入EEPROM后，將對(duì)應(yīng)地址空間的最高位寫為1，表示EEPROM中該地址空間的補(bǔ)償值已經(jīng)做過修正［11］。檢測(cè)并調(diào)整電路頻率的方案流程如圖1所示。

圖1 方案流程

2 頻率和相位檢測(cè)方法

頻率和相位關(guān)系檢測(cè)算法原理如圖2所示。輸入秒脈沖是通過導(dǎo)航衛(wèi)星獲得或者其它外部設(shè)備輸入的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)，10 MHz時(shí)鐘是由外部處理器或晶體振蕩器輸入的時(shí)鐘信號(hào)。

圖2 頻率和相位檢測(cè)算法原理

實(shí)時(shí)鐘電路工作在正常模式下時(shí)，首先根據(jù)傳感器的溫度自動(dòng)從EEPROM讀出補(bǔ)償值來調(diào)整振蕩電路的振蕩頻率，維持實(shí)時(shí)鐘電路輸出穩(wěn)定的秒脈沖。當(dāng)同時(shí)具備以下3個(gè)條件：由主電源供電、外部輸入秒脈沖信號(hào)、外部輸入10 MHz的時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)時(shí)鐘電路會(huì)進(jìn)入頻率調(diào)整模式。

實(shí)時(shí)鐘電路用外部輸入的10 MHz時(shí)鐘計(jì)數(shù)，計(jì)算電路輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位差和相位關(guān)系，相位關(guān)系包括輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相對(duì)位置關(guān)系，即輸出秒脈沖超前于還是滯后于輸入秒脈沖，以及通過連續(xù)2次檢測(cè)判斷輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間相位差的變化趨勢(shì)。

因此，輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間會(huì)出現(xiàn)以下4種關(guān)系：

①輸出秒脈沖滯后于輸入秒脈沖，且輸出秒脈沖向滯后于輸入秒脈沖的方向偏移；

②輸出秒脈沖超前于輸入秒脈沖，且輸出秒脈沖向超前于輸入秒脈沖的方向偏移；

③輸出秒脈沖超前于輸入秒脈沖，且輸出秒脈沖向滯后于輸入秒脈沖的方向偏移；

④輸出秒脈沖滯后于輸入秒脈沖，且輸出秒脈沖向超前于輸入秒脈沖的方向偏移。

3 頻率修正方法

獲得頻率和相位檢測(cè)結(jié)果后，首先根據(jù)檢測(cè)出的輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位差判斷是否對(duì)振蕩電路的補(bǔ)償值進(jìn)行修正，如果相位差大于1個(gè)10 MHz時(shí)鐘周期則需要修正補(bǔ)償值，如果相位差小于1個(gè)10 MHz時(shí)鐘周期則不需要修正補(bǔ)償值。當(dāng)需要對(duì)補(bǔ)償值進(jìn)行修正時(shí)，則根據(jù)檢測(cè)結(jié)果中的相位關(guān)系對(duì)振蕩電路的補(bǔ)償值進(jìn)行修正。

補(bǔ)償值修正策略如圖3所示。圖3中，圓圈中數(shù)字用來描述輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位關(guān)系，逗號(hào)前面的數(shù)字指示輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相對(duì)位置關(guān)系，0表示輸出秒脈沖超前于輸入秒脈沖，1表示輸出秒脈沖滯后于輸入秒脈沖；逗號(hào)后面的數(shù)字指示輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位變化趨勢(shì)，0表示輸出秒脈沖向超前于輸入秒脈沖的方向偏移，1表示輸出秒脈沖向滯后于輸入秒脈沖的方向偏移。

圖3 補(bǔ)償值修正策略

對(duì)應(yīng)的修正方法如下：

如果檢測(cè)結(jié)果為（1，1），即輸出秒脈沖滯后于輸入秒脈沖，且輸出秒脈沖向滯后于輸入秒脈沖的方向偏移，則說明輸出頻率比輸入頻率低，且相位滯后，需要將補(bǔ)償值加1，以提高頻率并使相位接近；

如果檢測(cè)結(jié)果為（0，0），即輸出秒脈沖超前于輸入秒脈沖，且輸出秒脈沖向超前于輸入秒脈沖的方向偏移，則說明輸出頻率比輸入頻率高，且相位超前，需要將補(bǔ)償值減1，以降低頻率并使相位接近；

如果檢測(cè)結(jié)果為（0，1），即輸出秒脈沖超前于輸入秒脈沖，且輸出秒脈沖向滯后于輸入秒脈沖的方向偏移，則說明輸出頻率比輸入頻率低，但是相位超前，需要保持當(dāng)前補(bǔ)償值，繼續(xù)檢測(cè)，等相位接近后再調(diào)整頻率；

如果檢測(cè)結(jié)果為（1，0），即輸出秒脈沖滯后于輸入秒脈沖，且輸出秒脈沖向超前于輸入秒脈沖的方向偏移，則說明輸出頻率比輸入頻率高，但是相位滯后，需要保持當(dāng)前補(bǔ)償值，繼續(xù)檢測(cè)，等相位接近后再調(diào)整頻率。

修正補(bǔ)償值后，如果檢測(cè)輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位差仍大于1個(gè)10 MHz時(shí)鐘周期，則繼續(xù)根據(jù)相位關(guān)系進(jìn)行修正。如果電路輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位差不超過1個(gè)10 MHz時(shí)鐘周期，則鎖定當(dāng)前的補(bǔ)償值。將鎖定的補(bǔ)償值寫入EEPROM的相應(yīng)地址空間，同時(shí)將該地址空間的最高位寫為1，表示EEPROM中該地址空間的補(bǔ)償值已經(jīng)做過修正。

4 測(cè)試結(jié)果分析

按照上述方法設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)RTC電路后，進(jìn)行了如下測(cè)試以驗(yàn)證RTC電路是否能夠達(dá)到預(yù)期的±0.1 ppm精度要求，RTC電路測(cè)試原理框圖如圖4所示。測(cè)試過程全部在高低溫箱中進(jìn)行，以便驗(yàn)證RTC電路在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)（－40～＋85℃）的守時(shí)精度結(jié)果［12］。

圖4 RTC電路測(cè)試原理

首先通過控制軟件將RTC電路設(shè)置為待機(jī)守時(shí)工作模式，即不提供標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)以及10 MHz時(shí)鐘，在此條件下測(cè)試RTC電路修正前的精度及穩(wěn)定性?？刂茰叵湟悦啃r(shí)4℃的速率在－40～＋85℃范圍循環(huán)運(yùn)行，用頻率計(jì)記錄輸入秒脈沖的頻率值，最后作圖查看RTC電路補(bǔ)償后的精度［13］。測(cè)試結(jié)果如圖5所示，由數(shù)據(jù)分布可以看出，頻率分布在－0.2～＋0.7 ppm。

圖5 修正前頻率精度及穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

然后，通過控制軟件將RTC電路設(shè)置為正常工作模式，外部接入標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)以及10 MHz時(shí)鐘，RTC電路即進(jìn)入自我調(diào)整模式?？刂茰叵湟悦啃r(shí)4℃的速率在－40～＋85℃循環(huán)運(yùn)行2次，使RTC電路內(nèi)全溫區(qū)的補(bǔ)償值均得到修正。

完成后重新使RTC電路進(jìn)入守時(shí)模式，按照上述方式測(cè)試RTC電路修正后的精度及穩(wěn)定性。修正后RTC電路秒脈沖頻率精度及穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果如圖6所示，可以看出修正后的頻率分布在－0.1～＋0.1 ppm。

圖6 修正后頻率精度及穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

由上述測(cè)試結(jié)果對(duì)比可知，該方法可以在導(dǎo)航接收機(jī)以及RTC電路正常工作的情況下，有效地修正RTC輸出頻率的偏差，使RTC電路能夠持續(xù)為導(dǎo)航接收機(jī)提供精確的時(shí)間信息。

5 結(jié)束語(yǔ)

上述方法以標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖輸入信號(hào)為基準(zhǔn)，檢測(cè)并修正實(shí)時(shí)鐘電路因老化等原因產(chǎn)生的頻率偏差，確保了實(shí)時(shí)鐘電路在使用過程中甚至長(zhǎng)期使用后的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。調(diào)整過程只在接收機(jī)設(shè)備主電源供電時(shí)進(jìn)行，在待機(jī)守時(shí)模式下停止工作，因此不會(huì)增加接收機(jī)設(shè)備待機(jī)的功耗，即不會(huì)縮短備用紐扣電池的使用時(shí)間。該方法可以為導(dǎo)航接收機(jī)提供更加準(zhǔn)確的初始時(shí)間信息，尤其適合長(zhǎng)碼直捕導(dǎo)航終端方面的應(yīng)用。

［1］張新波.衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)中長(zhǎng)碼直捕算法研究與FPGA實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2008：38－39.

［2］何成龍，王 垚.GPS L1C信號(hào)Weil碼相關(guān)性能分析［J］.無線電通信技術(shù)，2013，39（1）：32－35.

［3］吳華兵.GNSS P碼直捕算法研究與實(shí)現(xiàn)［D］.北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2011：1－5.

［4］王文革，萬 千.國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中頻率補(bǔ)償技術(shù)［J］.無線電通信技術(shù)，2011，37（1）：10－12.

［5］趙東世，凌朝東，黃煒煒，等.一種新型實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片溫度誤差補(bǔ)償方法［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，32（4）：478－480.

［6］黨曉圓，單慶曉，肖昌炎，等.基于GPS與北斗雙模授時(shí)的壓控晶振校頻系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，17（11）：2 246－2 248.

［7］張德印.石英晶體振蕩器［J］.邢臺(tái)師范高專學(xué)報(bào)，2002，17（2）：45－47.

［8］李二鵬，文開章，馮保紅，等.石英晶體振蕩器頻率特性的測(cè)量與分析［J］.測(cè)控技術(shù)，2010，29（1）：81－83.

［9］魏 婧.21.4 MHz晶體振蕩器的微機(jī)溫度補(bǔ)償［D］.成都：電子科技大學(xué)，2010：18－21.

［10］王 飛，蘇 娟，高 光.GPS校頻定時(shí)電路板的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.無線電工程，2001，31（2）：23－25.

［11］陳建國(guó).一種帶有加密邏輯的EEPROM的應(yīng)用［J］.無線電工程，1997，27（5）：60－64.

［12］杜 燕，劉陽(yáng)琦，龔大亮.計(jì)算機(jī)時(shí)間同步誤差的高精度測(cè)試方法［J］.無線電工程，2009，39（2）：57－58.

［13］周文利，饒友新，劉 剛，等.微處理器溫度補(bǔ)償晶體振蕩器的設(shè)計(jì)［J］.華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，28（11）：3－5.

A Method for Self-correction of Real Time Clock Circuit

ZHOU Yong-chuan1，MA Xun2
（1．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2．Hebei Far East Communication System Engineering Co．，Ltd．，Shijiazhuang Hebei 050200，China）

The real-time clock circuit generally consists of a crystal oscillator circuit that generates a clock timing signal.Due to aging of the circuit，crystal and related components and other reasons，the frequency of the crystal oscillator circuit drifts gradually，lead-ing to circuit timing deviations.To solve these problems，a self-detect and correction method for real-time clock circuit in normal use is implemented.This method can detect the frequency and phase relationship between the second pulse generated by real-time clock circuit and the standard second pulse，and make adjustments to the crystal oscillator circuit according to test results.The principle and imple-mentation of the method are introduced，and feasibility and advancement of the method are verified by test.This method has been successfully applied in the production of real-time clock circuit，producing significant adjustment effect.The method can effectively reduce the time and cost of ongoing maintenance of products.

real-time clock；high accuracy；second pulse；phase；strategy of adjustment

TN752.2

A

1003－3106（2015）11－0033－04

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.11.09

周永川，馬 迅.一種實(shí)時(shí)鐘電路自我修正的方法計(jì)［J］.無線電工程，2015，45（11）：33－36.

周永川男，（1982—），工程師。主要研究方向：集成電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

2015-08-20

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目。

馬 迅男，（1986—），助理工程師。主要研究方向：集成電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用。