高準(zhǔn)確度時(shí)鐘程序算法

摘要：通過(guò)對(duì)引起實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)時(shí)誤差因數(shù)的分析，給出了一種提高實(shí)時(shí)時(shí)鐘長(zhǎng)期計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度的實(shí)用而有效的軟件方法。該方法具有成本低、易實(shí)現(xiàn)、通用性強(qiáng)、徹底校正等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)時(shí)鐘 準(zhǔn)確度 定時(shí)器 軟件校正

電子計(jì)時(shí)器通常以石英晶振為時(shí)鐘源。時(shí)鐘源的頻率通常為幾十kHz乃至幾十MHz，而學(xué)用時(shí)鐘的最小計(jì)單位一般在0.01s～1s。高頻的時(shí)鐘源脈沖通過(guò)分頻器后產(chǎn)生基本定時(shí)脈沖。電子計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)部分就是對(duì)基本定時(shí)脈沖進(jìn)行累加，產(chǎn)生秒、分、時(shí)等時(shí)間信息乃至日、月、年等日期信息。

1 引起計(jì)時(shí)誤差的因數(shù)

一個(gè)常規(guī)電子計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度，取決于晶振標(biāo)稱頻率（fs）與實(shí)際頻率（fo）的頻率偏差和晶振頻率的時(shí)漂、溫漂等離散參數(shù)。普通晶振的實(shí)際頻率與標(biāo)稱頻率有較大的偏差，可達(dá)萬(wàn)分之五（萬(wàn)分之5），折算到一天計(jì)時(shí)誤差就是43.2s。一般室內(nèi)氣溫變化在每天10℃左右，對(duì)應(yīng)晶振頻率溫漂10 -5，若以一段較長(zhǎng)的時(shí)間取溫漂的平均值則更小。因此電子計(jì)時(shí)器的誤差主要取決于晶振實(shí)際頻率與標(biāo)稱頻率的偏差。

2 減少計(jì)時(shí)誤差的方法

2.1 純硬件方法

對(duì)于純硬件計(jì)時(shí)電路，因分頻系數(shù)N固定不變，要提高計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度只能調(diào)整fo，使得已盡可能接近于fs。常規(guī)減少計(jì)時(shí)誤差的方法是：微調(diào)元件L、C、R的參數(shù)，調(diào)節(jié)硬件頻率，使得時(shí)鐘源的頻率誤差減小。但此方法操作復(fù)雜，沒有一定的電子技術(shù)知識(shí)和專用儀器很難校準(zhǔn)，而且會(huì)降低晶振頻率穩(wěn)定度。

2.2 純軟件方法

由微控制器控制的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可以采用軟件的方法消除晶振實(shí)際頻率與標(biāo)稱頻率間誤差引起的計(jì)時(shí)誤差。

令晶振標(biāo)頻率為fs，而實(shí)際頻率為fo，則fs=k×fo。

若fs=fo則k=1，否則k≠1。

TNS=Ns×(1/fs)=Ns×(1/k)×(1/fo),Ns是在標(biāo)稱頻率fs下定時(shí)TNS的分頻系數(shù)。

由微控制器控制的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可以用軟件模擬，將1/k歸入總的計(jì)時(shí)程序中，從而消除fs和fo間偏差引來(lái)的計(jì)時(shí)誤差。對(duì)于專用硬件時(shí)鐘電路如：DS1320、PCF8583等，可以采用每小時(shí)或每10分鐘讀出時(shí)間，然后乘上1/k再寫回芯片的方法校正。對(duì)于采用可編程分頻定時(shí)器，由軟件模擬時(shí)鐘功能的軟件實(shí)時(shí)時(shí)鐘，則有更好的提高計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度的方法。因?yàn)槎〞r(shí)器的分頻系數(shù)是可以動(dòng)態(tài)改變的，如89C52內(nèi)置的16位計(jì)數(shù)器，分頻系數(shù)可以在1～2 16內(nèi)任意選取。令N=(1/k)Ns作為分頻系數(shù)寫入計(jì)數(shù)器，這樣每個(gè)基本計(jì)時(shí)周期TN=TNS，從而實(shí)現(xiàn)軟件校正定時(shí)周期。

在(1/k)×Ns剛好為整數(shù)時(shí)，可以使得計(jì)時(shí)誤差為0。大部分的情況(1/k)×Ns并不是整數(shù)，若將四舍五入后的值作為Ns，就會(huì)帶來(lái)的量化誤差，最大可達(dá)（1/2N），這是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。以12MHz的89C52T2定時(shí)器定時(shí)10ms為例，每天最大量化誤差累加是：24×3600÷(2×10000)=4.32s。若在片內(nèi)RAM中定義1個(gè)字節(jié)發(fā)尾數(shù)，令它的滿碼值為1/N，則最大量化誤差就從原來(lái)的1/2N下降到1/（2×N×256）。對(duì)應(yīng)于上述的10ms定時(shí)程序，其最大量化誤差的累加值由原來(lái)的4.32秒/天減少到0.016875秒/天，這是很大的改進(jìn)。根據(jù)精度要求，可以在片內(nèi)RAM中定義2個(gè)字節(jié)，令它的滿碼值為1/N，這樣最大量化誤差就可降為1/（2×N×65536）。

減少量化誤差的具體算法是：對(duì)于使用89C52的T2決定器，若標(biāo)稱為12MHz的晶振實(shí)際長(zhǎng)期平均振蕩頻率fo=12.0006MHz，量化精度取1字節(jié)，取TNS=10ms，則分頻系數(shù)為：

N0=fo/(12×TNS)=12.0006/(12×10 6×10 -2)=10000.5

令N=INT(N0)=10000

NT=INT[(N0-N)×256+0.5]=128

Ni為第I決定時(shí)值，可能是10000或10001，這取決于Nti的進(jìn)位；Nti為第I次尾數(shù)暫存值。

每次定時(shí)中斷服務(wù)程序均執(zhí)行（1）式，取得第I次定時(shí)計(jì)數(shù)值，然后實(shí)時(shí)時(shí)鐘增加10ms，完成時(shí)鐘功能。值得注意的是，Ni是實(shí)際的計(jì)數(shù)值，至于實(shí)際寫入特定定時(shí)器的數(shù)值，則須根據(jù)具體定時(shí)器的遞減、遞加計(jì)時(shí)性質(zhì)分別寫入Ni或Ni的補(bǔ)碼，同時(shí)定時(shí)器在溢出到新的定時(shí)值裝入并開始新定時(shí)周期這段時(shí)間，將TLOAD考慮在內(nèi)。例如89C52 T2工作于自動(dòng)重裝定時(shí)初值、遞加定時(shí)方式時(shí)，實(shí)際寫入定時(shí)器T2的捕獲/自動(dòng)重裝載寄存器（Rcap 2H,Rcap2L）的值是Ni的補(bǔ)碼，即65536-Ni；而對(duì)于89C52 T0和T1定時(shí)器則實(shí)際寫入的定時(shí)初值是：Ni的補(bǔ)碼+TLOAD對(duì)應(yīng)的機(jī)器周期數(shù)。

3 測(cè)量晶振實(shí)際長(zhǎng)期振蕩頻率

沒有專用儀器，怎樣測(cè)得晶振實(shí)際長(zhǎng)期振蕩頻率？有一個(gè)很簡(jiǎn)單的方法。以標(biāo)稱頻率下的定時(shí)計(jì)數(shù)值Ns作為實(shí)際計(jì)數(shù)值，在電臺(tái)報(bào)時(shí)時(shí)將時(shí)間設(shè)置正確，然后讓它運(yùn)行一段較長(zhǎng)的時(shí)間，再與電臺(tái)的報(bào)時(shí)比較求出誤差的秒數(shù)，即可算出實(shí)際頻率。例如晶振標(biāo)稱頻率是12Mz，時(shí)鐘運(yùn)行了10天，快了432s，則

fo=[(10×24×3600+432)/(10×24×3600)]×12

=1.0005×12

=12.0006MHz

若將上述算法編成程序，讓用戶直接輸入N和NT的值；或輸入運(yùn)行了多少天、時(shí)、分、秒，快或慢了多少秒，讓系統(tǒng)自動(dòng)算出N和NT，將會(huì)為從根本上校準(zhǔn)時(shí)鐘帶來(lái)極大方便。任何人都可以輕松地提高時(shí)鐘準(zhǔn)確度而無(wú)需專業(yè)知識(shí)和專用儀器。

現(xiàn)在微控制器已廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面，電子時(shí)鐘也隨著它融入到各種電器和設(shè)備中，如專門時(shí)鐘功能的石英表和各種附帶電子計(jì)時(shí)器的電器如手機(jī)、普通液晶顯示電話、VCD機(jī)、DVD機(jī)、電視及高檔音響、空調(diào)遙控器、電力系統(tǒng)微機(jī)自動(dòng)化設(shè)備等。高檔專用計(jì)時(shí)器如高檔石英表，因?yàn)橛?jì)時(shí)是它的主功能，須保證計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度而對(duì)計(jì)時(shí)時(shí)鐘源準(zhǔn)確度要求嚴(yán)格，每天誤差在1s以下。以上提到的其它電器，其時(shí)鐘只是的一個(gè)附帶功能，出廠時(shí)一般不嚴(yán)格校正，甚至根本不做任何校正。所以誤差通常在1秒/天以上，有些達(dá)10秒/天以上，每天都需校正，否則運(yùn)行幾天就會(huì)因誤差太大而變得不可信，令用戶不勝煩惱。

在電力系統(tǒng)中，無(wú)人值班變電部須安裝無(wú)功自動(dòng)控制設(shè)備。它根據(jù)一天中的不同時(shí)間段和電網(wǎng)無(wú)功情況自動(dòng)投退電容器組，使得電網(wǎng)的功率因數(shù)盡可能接近于1，以利于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。但有些設(shè)備仙部時(shí)鐘每天誤差>5分種。若將本文算法編入計(jì)時(shí)程序中，讓用戶自己校正定時(shí)參數(shù)，將大大提高各種附帶時(shí)鐘的計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度。

將基于軟件提高實(shí)時(shí)時(shí)鐘準(zhǔn)確度的算法應(yīng)用于普通石英晶振，利用89C52 T2定時(shí)器的軟實(shí)時(shí)時(shí)鐘，未作校正每天11s；進(jìn)行軟件計(jì)時(shí)校正后，每10天的計(jì)時(shí)誤差1s。本文提出的基于軟件提高時(shí)鐘準(zhǔn)確度的算法，具有極高的實(shí)用價(jià)值。