吳天強(qiáng) 葉敏 朱劍 潘超

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

關(guān)鍵詞：單片機(jī);實(shí)時時鐘;日差;算法設(shè)計

1 問題提出

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

時鐘芯片和晶振組成的計時系統(tǒng)，短期內(nèi)有較高的精度，長期運(yùn)行，因累積誤差，導(dǎo)致其計時誤差越來越大。例如，獨(dú)立應(yīng)用實(shí)時時鐘的各種電子產(chǎn)品，運(yùn)行一段時間后，與標(biāo)準(zhǔn)時間會有較大差異，需要人工手動調(diào)整計時參數(shù)，以適合計時需求。

單片機(jī)或嵌入式芯片組成的實(shí)時時鐘系統(tǒng)，若在控制程序中，設(shè)置計時自動補(bǔ)償功能，用以代替人工手動校正，能夠減少計時系統(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)計等三個方面說明實(shí)時時鐘計時補(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)有開機(jī)特性（10-6～10-11）、日頻率波動（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)定度相對較高，而頻率準(zhǔn)確度的指標(biāo)系數(shù)則相對較低，故頻率準(zhǔn)確度是判別晶振好環(huán)的一個重要因素。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，以及對應(yīng)的溫控電路，使晶振工作過程溫度盡可能保持不變，減少溫度變化對頻率穩(wěn)定度的影響。

溫補(bǔ)晶振則是把溫度變化對振蕩所產(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?！霸诔叵拢?5℃），實(shí)時時鐘精度約為±20ppm，針對晶體振蕩器的溫漂特性，設(shè)計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輔助電路或裝置，來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。獲得更高精度時鐘的另一種方法，是采用同步時鐘。

3.2 同步時鐘

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

衛(wèi)星時鐘同步，是利用晶振短期計時精度高的特點(diǎn)，與衛(wèi)星時鐘進(jìn)行同步，可以得到高性能價格比的高精度時鐘發(fā)生裝置[4]?！皩PS信號的長期穩(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)的整秒脈沖信號和串口時間信息，作為高精度的時間源，同步精度優(yōu)于500μs”[6]。衛(wèi)星“時間同步在航天測控、衛(wèi)星遙感、軍事靶場、視覺測量、電力運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有重要意義”[6]！

網(wǎng)絡(luò)時鐘同步，也是一種獲得高精度時鐘的方法。基于“IEEE1588高精度時間同步算法，通過晶振補(bǔ)償和OffsetTime濾波，達(dá)到了微秒級高精度同步系統(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、同步時鐘以外，在時鐘同步精度要求不高的場合，也可用采用日差補(bǔ)償?shù)姆椒?，來提高時鐘芯片的計時精度。

3.3 日差補(bǔ)償

計時器一天的走時誤差，稱為日差。由于時鐘芯片所使用的晶振，存在頻率誤差，因而獨(dú)立使用時鐘芯片的計時器，一定存在走時誤差。對于時鐘同步要求不高的場合，存在走時偏差的時鐘，可以人工校準(zhǔn)，也可以由程序自動校正。

如圖1實(shí)時時鐘偏慢補(bǔ)償示意圖所示，將實(shí)時時鐘與標(biāo)準(zhǔn)時鐘進(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)時時鐘（加快實(shí)時時鐘）的計時數(shù)據(jù)中，可完成實(shí)時時鐘的偏差調(diào)整。若實(shí)時時鐘偏快，則需要將得到的補(bǔ)償量，向后疊加到實(shí)時時鐘（減慢實(shí)時時鐘）的計時數(shù)據(jù)，以完成計時校正。

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

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

4 算法設(shè)計

單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)時時鐘日差補(bǔ)償，如圖2日差自動校正流程圖所示，根據(jù)時鐘校正的時刻點(diǎn)不同，可以分為（a）、（b）兩種情況。程序設(shè)計中，這兩種情況都需要設(shè)定一個“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，而使計時出錯。

以圖2日差自動校正流程圖（a）為例，說明“標(biāo)記位”變量的作用。程序運(yùn)行時，“標(biāo)記位”變量初始狀態(tài)被置1，以及計時到達(dá)“時間點(diǎn)1”的時刻，“標(biāo)記位”變量也置1，置1表示允許進(jìn)行日差補(bǔ)償。計時到了“時間點(diǎn)2”的時刻，并且“標(biāo)記位”變量是1時，則由程序自動將設(shè)置好的補(bǔ)償量，向前（加快）或向后（減慢）疊加到當(dāng)前時鐘數(shù)據(jù)上，得到新的時鐘數(shù)值，同時將新的時鐘數(shù)值，寫入實(shí)時時鐘芯片，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時鐘校正流程圖（a）和（b）中，“時間點(diǎn)1”和“時間點(diǎn)2”之間的時間間隔值（以下稱間隔值），應(yīng)該要大于可能設(shè)定的補(bǔ)償量，否則，在自動調(diào)整時鐘過程中，向前（加快）或向后（減慢）調(diào)整后的時鐘值，有可能會跳至“時間點(diǎn)1”和“時間點(diǎn)2”的時刻所界定的時鐘區(qū)間之外，使程序運(yùn)行出錯。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日差自動校正流程圖（a）所示，在“時間點(diǎn)2”時刻，自動向后（減慢）調(diào)整時鐘數(shù)值，完成調(diào)整后，“標(biāo)記位”變量被置0。若補(bǔ)償量超過“間隔值”，必定使新時鐘的數(shù)值，指向“時間點(diǎn)1”前的某一個時刻，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日差自動校正流程圖（b）所示，若在“時間點(diǎn)1”時刻，自動向前（加快）調(diào)整時鐘數(shù)值時，補(bǔ)償量大到超過“時間點(diǎn)2”的時刻，則程序會跳過“標(biāo)記位”變量置1的執(zhí)行流程，使日差補(bǔ)償動作，只執(zhí)行一次，程序失去計時補(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。對于某些家用產(chǎn)品上的獨(dú)立時鐘，進(jìn)行日差自動補(bǔ)償調(diào)整的時刻，宜選在凌晨兩、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，“+”表示是加快時鐘的補(bǔ)償量。對于計時最小單位是秒的時鐘芯片，若遇到實(shí)際走時日差不足1S時，應(yīng)增加天數(shù)，直至誤差達(dá)到1秒以上，才進(jìn)行時鐘校正。對于計時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，改成日期計數(shù)功能，可以實(shí)現(xiàn)對于任意周期天數(shù)的計時偏差進(jìn)行補(bǔ)償。

6 結(jié)語

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

參考文獻(xiàn)：

[1]JJG180-2002，電子測量儀器內(nèi)石英晶體振蕩器檢定規(guī)程[S].北京：中國計量出版社，2003.

[2]李根岱.可校準(zhǔn)實(shí)時時鐘芯片的研究和設(shè)計[D].華中科技大學(xué)，2007.

[3]江玉潔，陳辰，等.一種全集成化的溫補(bǔ)晶體振蕩器[J].宇航計測技術(shù)，2003（03）：52-57.

[4]曾祥君，尹項根，等.GPS時鐘在線監(jiān)測與修正方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2002（12）：42-47.

[5]馬彥青.恒溫晶振OCXO自適應(yīng)馴服保持技術(shù)研究[D].西安電子科技大學(xué)，2011.

[6]王向軍，張亞元，等.基于GPS和高精度實(shí)時時鐘的時間同步方法[J].納米技術(shù)與精密工程，2016，14（01）：66-70.

[7]桂本烜，馮冬芹，等.IEEE1588的高精度時間同步算法的分析與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2006（04）：20-23.

[8]GB/T22778-2008，液晶數(shù)字式石英秒表[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

基金項目：2018年度高校訪問工程師“校企合作項目”（項目編號：FG2018242）

作者簡介：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。