單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘日差補(bǔ)償?shù)乃惴ㄔO(shè)計(jì)

吳天強(qiáng) 葉敏 朱劍 潘超

摘 要：根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘運(yùn)行的日差大小，在計(jì)時(shí)控制程序中，設(shè)置自動(dòng)補(bǔ)償并校正參數(shù)的功能，使系統(tǒng)的計(jì)時(shí)運(yùn)行誤差，在連續(xù)較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，保持在較小的波動(dòng)范圍，以減少計(jì)時(shí)的累積誤差，提高計(jì)時(shí)精度。該算法適用于低成本的單片機(jī)或嵌入式系統(tǒng)，使用軟件控制自動(dòng)補(bǔ)償計(jì)時(shí)日差，代替人工校正過(guò)程。其缺點(diǎn)是不同時(shí)鐘芯片的計(jì)時(shí)日差，各不相同，首次運(yùn)行時(shí)，需要與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)進(jìn)行校對(duì)，以確定其合適的補(bǔ)償量。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);實(shí)時(shí)時(shí)鐘;日差;算法設(shè)計(jì)

1 問(wèn)題提出

實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）也稱為時(shí)鐘芯片，是一種廣泛應(yīng)用的電子器件，用于提供精確的實(shí)時(shí)時(shí)間，或者為電子系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)。大多數(shù)時(shí)鐘芯片，均采用精度較高的晶體振蕩器作為時(shí)鐘源，因此，晶振的頻率誤差大小，決定了計(jì)時(shí)系統(tǒng)的性能。

時(shí)鐘芯片和晶振組成的計(jì)時(shí)系統(tǒng)，短期內(nèi)有較高的精度，長(zhǎng)期運(yùn)行，因累積誤差，導(dǎo)致其計(jì)時(shí)誤差越來(lái)越大。例如，獨(dú)立應(yīng)用實(shí)時(shí)時(shí)鐘的各種電子產(chǎn)品，運(yùn)行一段時(shí)間后，與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間會(huì)有較大差異，需要人工手動(dòng)調(diào)整計(jì)時(shí)參數(shù)，以適合計(jì)時(shí)需求。

單片機(jī)或嵌入式芯片組成的實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)，若在控制程序中，設(shè)置計(jì)時(shí)自動(dòng)補(bǔ)償功能，用以代替人工手動(dòng)校正，能夠減少計(jì)時(shí)系統(tǒng)的累積誤差，達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品性能目的。本文將從晶振的參數(shù)、補(bǔ)償方法、算法設(shè)計(jì)等三個(gè)方面說(shuō)明實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)時(shí)補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

2 晶振的參數(shù)

石英晶體振蕩器（以下簡(jiǎn)稱晶振）是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成。晶振可以分為普通晶振、溫補(bǔ)晶振和恒溫晶振。不同類型的晶振，其技術(shù)指標(biāo)有較大差異。文獻(xiàn)[1]指出晶振的性能參數(shù)有開(kāi)機(jī)特性（10-6～10-11）、日頻率波動(dòng)（10-6～10-11）、日老化率（10-6～10-11）、頻率復(fù)現(xiàn)率（10-6～10-11）、頻率準(zhǔn)確度（10-5～10-10）和1秒頻率穩(wěn)定度（10-8～10-12）。

從上述指標(biāo)系數(shù)中可以看出，符合規(guī)格要求的晶振，其1秒頻率穩(wěn)定度相對(duì)較高，而頻率準(zhǔn)確度的指標(biāo)系數(shù)則相對(duì)較低，故頻率準(zhǔn)確度是判別晶振好環(huán)的一個(gè)重要因素。另外，由于溫漂影響，晶振的頻率準(zhǔn)確度也與運(yùn)行環(huán)境溫度相關(guān)，因此，溫度補(bǔ)償，是提高晶振頻率準(zhǔn)確度的有效方法。

3 補(bǔ)償方法

3.1 溫度補(bǔ)償

溫度補(bǔ)償是為消除溫度變化引起晶振的頻率誤差。恒溫晶振使用具有單層或雙層的恒溫裝置，以及對(duì)應(yīng)的溫控電路，使晶振工作過(guò)程溫度盡可能保持不變，減少溫度變化對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響。

溫補(bǔ)晶振則是把溫度變化對(duì)振蕩所產(chǎn)生的頻率誤差進(jìn)行補(bǔ)償，以提高晶振的頻率穩(wěn)定度。“在常溫下（25℃），實(shí)時(shí)時(shí)鐘精度約為±20ppm，針對(duì)晶體振蕩器的溫漂特性，設(shè)計(jì)了一種分頻鏈的頻率校準(zhǔn)算法，校準(zhǔn)精度達(dá)±0.25ppm”[2]。集成溫補(bǔ)晶振具有更寬溫度范圍的工作性能，“其輸出信號(hào)的頻率穩(wěn)定性可在寬溫范圍（-30℃～+85℃），達(dá)到±1×10-6”[3]。以上案例表明，溫補(bǔ)晶振能有效提高頻率穩(wěn)定度的指標(biāo)系數(shù)。

溫補(bǔ)晶振和恒溫晶振均通過(guò)輔助電路或裝置，來(lái)減小或消除溫度的影響，提高晶振的頻率穩(wěn)定度，但是也不能完全消除頻率誤差。獲得更高精度時(shí)鐘的另一種方法，是采用同步時(shí)鐘。

3.2 同步時(shí)鐘

同步時(shí)鐘精度高，一般用于對(duì)時(shí)鐘有嚴(yán)格要求的系統(tǒng)。常用的同步時(shí)鐘有衛(wèi)星同步時(shí)鐘和網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)鐘。

衛(wèi)星時(shí)鐘同步，是利用晶振短期計(jì)時(shí)精度高的特點(diǎn)，與衛(wèi)星時(shí)鐘進(jìn)行同步，可以得到高性能價(jià)格比的高精度時(shí)鐘發(fā)生裝置[4]?！皩PS信號(hào)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度與晶振的短期穩(wěn)定度相結(jié)合，大大提高了頻率源的性能”[5]，若“使用全球定位系統(tǒng)（GPS）接收機(jī)的整秒脈沖信號(hào)和串口時(shí)間信息，作為高精度的時(shí)間源，同步精度優(yōu)于500μs”[6]。衛(wèi)星“時(shí)間同步在航天測(cè)控、衛(wèi)星遙感、軍事靶場(chǎng)、視覺(jué)測(cè)量、電力運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有重要意義”[6]！

網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步，也是一種獲得高精度時(shí)鐘的方法?；凇癐EEE1588高精度時(shí)間同步算法，通過(guò)晶振補(bǔ)償和OffsetTime濾波，達(dá)到了微秒級(jí)高精度同步系統(tǒng)的要求，適用于機(jī)電控制、通信等領(lǐng)域”[7]。

除了上述的溫度補(bǔ)償、同步時(shí)鐘以外，在時(shí)鐘同步精度要求不高的場(chǎng)合，也可用采用日差補(bǔ)償?shù)姆椒?，?lái)提高時(shí)鐘芯片的計(jì)時(shí)精度。

3.3 日差補(bǔ)償

計(jì)時(shí)器一天的走時(shí)誤差，稱為日差。由于時(shí)鐘芯片所使用的晶振，存在頻率誤差，因而獨(dú)立使用時(shí)鐘芯片的計(jì)時(shí)器，一定存在走時(shí)誤差。對(duì)于時(shí)鐘同步要求不高的場(chǎng)合，存在走時(shí)偏差的時(shí)鐘，可以人工校準(zhǔn)，也可以由程序自動(dòng)校正。

如圖1實(shí)時(shí)時(shí)鐘偏慢補(bǔ)償示意圖所示，將實(shí)時(shí)時(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行比較，可以得到補(bǔ)償量，將此補(bǔ)償量，向前疊加到實(shí)時(shí)時(shí)鐘（加快實(shí)時(shí)時(shí)鐘）的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)中，可完成實(shí)時(shí)時(shí)鐘的偏差調(diào)整。若實(shí)時(shí)時(shí)鐘偏快，則需要將得到的補(bǔ)償量，向后疊加到實(shí)時(shí)時(shí)鐘（減慢實(shí)時(shí)時(shí)鐘）的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)，以完成計(jì)時(shí)校正。

對(duì)于以獨(dú)立時(shí)鐘芯片的作為計(jì)時(shí)依據(jù)的各種電子產(chǎn)品，可以采用日差補(bǔ)償?shù)姆椒?，提高?jì)時(shí)的準(zhǔn)確度。具體實(shí)施方法是，經(jīng)24小時(shí)實(shí)走，與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行比較，得到日差補(bǔ)償量，在程序中設(shè)置對(duì)應(yīng)補(bǔ)償參數(shù)。然后，在實(shí)際計(jì)時(shí)過(guò)程中，每天由軟件自動(dòng)校正偏差，減少計(jì)時(shí)的累積誤差，達(dá)到優(yōu)化計(jì)時(shí)性能目的。

日差測(cè)試所需時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)用不方便。如果計(jì)時(shí)系統(tǒng)顯示最小位是秒的產(chǎn)品，可以在首次運(yùn)行時(shí)，由用戶根據(jù)實(shí)際運(yùn)行天數(shù)的走時(shí)誤差，估算出日差補(bǔ)償量，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置即可。實(shí)時(shí)時(shí)鐘的日差補(bǔ)償量，也可以通過(guò)測(cè)量瞬時(shí)日差得到。

4 算法設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘日差補(bǔ)償，如圖2日差自動(dòng)校正流程圖所示，根據(jù)時(shí)鐘校正的時(shí)刻點(diǎn)不同，可以分為（a）、（b）兩種情況。程序設(shè)計(jì)中，這兩種情況都需要設(shè)定一個(gè)“標(biāo)記位”的變量，其作用是記錄能否進(jìn)行日差補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)，防止程序循環(huán)執(zhí)行中，多次連續(xù)、重復(fù)進(jìn)行日差補(bǔ)償，而使計(jì)時(shí)出錯(cuò)。

以圖2日差自動(dòng)校正流程圖（a）為例，說(shuō)明“標(biāo)記位”變量的作用。程序運(yùn)行時(shí)，“標(biāo)記位”變量初始狀態(tài)被置1，以及計(jì)時(shí)到達(dá)“時(shí)間點(diǎn)1”的時(shí)刻，“標(biāo)記位”變量也置1，置1表示允許進(jìn)行日差補(bǔ)償。計(jì)時(shí)到了“時(shí)間點(diǎn)2”的時(shí)刻，并且“標(biāo)記位”變量是1時(shí)，則由程序自動(dòng)將設(shè)置好的補(bǔ)償量，向前（加快）或向后（減慢）疊加到當(dāng)前時(shí)鐘數(shù)據(jù)上，得到新的時(shí)鐘數(shù)值，同時(shí)將新的時(shí)鐘數(shù)值，寫(xiě)入實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，完成以上調(diào)整后，將“標(biāo)記位”變量置0，以確保每天的日差補(bǔ)償有且只有一次。

在圖2時(shí)鐘校正流程圖（a）和（b）中，“時(shí)間點(diǎn)1”和“時(shí)間點(diǎn)2”之間的時(shí)間間隔值（以下稱間隔值），應(yīng)該要大于可能設(shè)定的補(bǔ)償量，否則，在自動(dòng)調(diào)整時(shí)鐘過(guò)程中，向前（加快）或向后（減慢）調(diào)整后的時(shí)鐘值，有可能會(huì)跳至“時(shí)間點(diǎn)1”和“時(shí)間點(diǎn)2”的時(shí)刻所界定的時(shí)鐘區(qū)間之外，使程序運(yùn)行出錯(cuò)。因此，以下兩種可能，在程序編程中，應(yīng)該避免發(fā)生。

第一種情況，如圖2日差自動(dòng)校正流程圖（a）所示，在“時(shí)間點(diǎn)2”時(shí)刻，自動(dòng)向后（減慢）調(diào)整時(shí)鐘數(shù)值，完成調(diào)整后，“標(biāo)記位”變量被置0。若補(bǔ)償量超過(guò)“間隔值”，必定使新時(shí)鐘的數(shù)值，指向“時(shí)間點(diǎn)1”前的某一個(gè)時(shí)刻，使“標(biāo)記位”置1的程序又被觸發(fā)，導(dǎo)致程序反復(fù)進(jìn)行日差補(bǔ)償，進(jìn)入死循環(huán)。

第二種情況，如圖2日差自動(dòng)校正流程圖（b）所示，若在“時(shí)間點(diǎn)1”時(shí)刻，自動(dòng)向前（加快）調(diào)整時(shí)鐘數(shù)值時(shí)，補(bǔ)償量大到超過(guò)“時(shí)間點(diǎn)2”的時(shí)刻，則程序會(huì)跳過(guò)“標(biāo)記位”變量置1的執(zhí)行流程，使日差補(bǔ)償動(dòng)作，只執(zhí)行一次，程序失去計(jì)時(shí)補(bǔ)償功能。

因此，程序流程中的“間隔值”，必須大于日差補(bǔ)償量，且要留有一定裕量。非專用型的液晶數(shù)字秒表，其瞬時(shí)日差為±1.5S/d[8]，參考此數(shù)據(jù)值，程序中的補(bǔ)償量范圍，可以限值在60S以內(nèi)，間隔值則應(yīng)大于60S。對(duì)于某些家用產(chǎn)品上的獨(dú)立時(shí)鐘，進(jìn)行日差自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)整的時(shí)刻，宜選在凌晨?jī)?、三點(diǎn)鐘較為合適。

5 仿真結(jié)果

圖3是PROTEUS日差補(bǔ)償仿真圖，仿真時(shí)鐘芯片為DS1302，截圖中的LCD顯示，當(dāng)前設(shè)定的日差補(bǔ)償量為+2秒/天，“+”表示是加快時(shí)鐘的補(bǔ)償量。對(duì)于計(jì)時(shí)最小單位是秒的時(shí)鐘芯片，若遇到實(shí)際走時(shí)日差不足1S時(shí)，應(yīng)增加天數(shù)，直至誤差達(dá)到1秒以上，才進(jìn)行時(shí)鐘校正。對(duì)于計(jì)時(shí)顯示最小單位是分鐘的產(chǎn)品，也可以考慮將月差作為自動(dòng)調(diào)整的周期。將“標(biāo)記位”變量的置、復(fù)位控制，改成日期計(jì)數(shù)功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于任意周期天數(shù)的計(jì)時(shí)偏差進(jìn)行補(bǔ)償。

6 結(jié)語(yǔ)

上述提出的日差補(bǔ)償算法，是對(duì)獨(dú)立時(shí)鐘芯片的計(jì)時(shí)系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，綜合運(yùn)行一段時(shí)間后產(chǎn)生的誤差，進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?，適用于低成本的單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)，由軟件程序設(shè)置自動(dòng)補(bǔ)償功能，代替人工校準(zhǔn)過(guò)程，在不提高產(chǎn)品器件成本的前提下，優(yōu)化計(jì)時(shí)性能，提高產(chǎn)品的用戶滿意度。其缺點(diǎn)是不同器件的計(jì)時(shí)誤差，各不相同，首次運(yùn)行時(shí)，需要與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)進(jìn)行比對(duì)，以確定其合適的補(bǔ)償量。

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基金項(xiàng)目：2018年度高校訪問(wèn)工程師“校企合作項(xiàng)目”（項(xiàng)目編號(hào)：FG2018242）

作者簡(jiǎn)介：吳天強(qiáng)（1977-），男，工程碩士，講師，從事電子電路教學(xué)研究工作。