基于MSP430單片機時(shí)鐘芯片RTC-4553溫度誤差軟件補償

1、前言

目前新型的電子式多費率電能表已逐漸取代老式電子電能表。多費率電能表計量不同時(shí)間段的用電量，根據不同的電能費率計算出用戶(hù)使用電能費用。本文基于德州儀器的MSP430F435單片機，結合EPSON公司推出的高精度時(shí)鐘芯片RTC-4553芯片，對多費率電能表的工作時(shí)間進(jìn)行測量。由于電能表在不同地域及不同季節使用，溫差很大，存在一定的溫度漂移，造成一定的時(shí)間累積誤差。因此必須進(jìn)行適當的誤差補償，本文將基于MSP430單片機采用C 語(yǔ)言編程進(jìn)行溫度補償方法，提高計時(shí)精度。

2、系統介紹

電能表的采用什么MCU有多種方案，不少已經(jīng)投入實(shí)際使用。但是基于MSP430 單片機作為電能表主控模塊還沒(méi)有廣泛投產(chǎn)使用。用于系統時(shí)間計量的串行時(shí)鐘芯片很多，如DS1302、DS1307、PCF8485等時(shí)鐘芯片。

圖1是多費率三相電能表的時(shí)間計量部分，合理的把TI 的MSP430單片機和EPSON的 RTC-4553集合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，避開(kāi)復雜的外圍電路的設計，采用現成的高精度時(shí)間計量芯片。

2.1、硬件部分：

MSP430F435

T1公司的MSP430系列單片機是一種具有超低功耗的功能強大的單片機。新開(kāi)發(fā)的F系列具有Flash存儲器，在系統設計，開(kāi)發(fā)調試及實(shí)際應用上比其他MCU都有比較明顯的優(yōu)勢。

1、超低功耗

MSP430F系列運行在1MHZ時(shí)鐘的條件下時(shí)，工作模式不同為0.1~400uA,工作電壓為1.8~3.6V。

2、 超強處理能力

8MIPS的CPU內核，16位×16位的硬件乘法器。

3、靈活的配置方法

MSP430 F系列具有豐富的尋址方式，只需要27條指令；片內寄存器數多，可以實(shí)現多種運算；有高效的查表處理方法。這一切保證了可以編譯出高效的程序。許多中斷，可以嵌套，使用方便。

4、片上集成外圍功能模塊

MSP430 F系列集成了較多的片上外圍設備。這些外圍設備功能相當強大：12位A/D，精密模擬比較器，硬件乘法器，2組頻率可以達到8MHZ的時(shí)鐘模塊，2個(gè)帶有許多捕獲比較的16位定時(shí)器，看門(mén)狗功能，2個(gè)可實(shí)現異步和同步及多址訪(fǎng)問(wèn)的串行通信接口，數十個(gè)可實(shí)現方向的設置及中斷功能的并行輸入，輸出端口，擁有 SPI和UASRT通訊端口。

5、 高效的開(kāi)發(fā)方式。

MSP430FX系列具有FLASH存儲器，這一特點(diǎn)使得它的開(kāi)發(fā)工具相當簡(jiǎn)便。利用單片機自身帶有的JTAG接口或片內BOOT ROM內固化的默認的加載程序載入器Bootstrap可以進(jìn)行串口或并口，通過(guò)UART將程序代碼裝入Flash 存貯器中。

可以在一臺PC及一個(gè)小JATAG控制器的幫助下實(shí)現程序的下載，方便的完成在線(xiàn)程序調試。

RTC-4553

EPSON公司推出的RTC-4553時(shí)鐘芯片。該芯片采用內置晶振和獨特的數據方法，大大提高了時(shí)鐘精度和可靠性。 RTC-4553配有串行通信接口，另有30×4bit SRAM，有2000～2099的百年日歷，采用14腳SOP封裝，電池耗電2μA，時(shí)鐘誤差3 min/年且無(wú)需調整，是儀器儀表高精度時(shí)鐘的理想芯片。

RTC-4553內部結構和引腳

串行RTC-4553時(shí)鐘芯片的內部結構如圖2所示。內置32.768khz晶振，它包含I/O控制器、移位寄存器、命令及邏輯控制器，表態(tài)RAM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、計數器等部分。CS0為片選腳，低電平選中；WR為讀寫(xiě)使能口，高為讀，低為寫(xiě)；L1～L5為出廠(chǎng)調整精度和測試用，使用中懸空；CS1為芯片掉電檢查口，可直接與系統電源連接，芯片測到該口為低時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)；SCK為時(shí)鐘口，SIN為數據輸入口，SOUT為數據輸出口。另外，芯片還有1 個(gè)時(shí)鐘信號輸出口TPOUT，該口可輸出1024Hz或1/10Hz的信號，以供檢測芯片的時(shí)鐘精度所用。其中RTC-4553共有46×4bit寄存器。這些寄存器分3頁(yè)，第1頁(yè)共16個(gè)，分別為時(shí)鐘寄存器和控制寄存器，用來(lái)存放秒、分、時(shí)、日、月、年、星期和3個(gè)特殊寄存器；第2頁(yè)、第3頁(yè)各有15 個(gè)，共30個(gè)SRAM寄存器，頁(yè)面的選擇通過(guò)操作控制寄存器3的MS1、MS0位來(lái)實(shí)現。

具體如表一所示：
地址 寄存器名 D3 D2 D1 D0 記數范圍 說(shuō)明
0 S1 s8 s4 s2 s1 0-9 1秒寄存器
1 S10 0 s40 s20 s10 0-5 10秒寄存器
2 MI1 mi8 mi4 mi2 mi1 0-9 1分寄存器
3 M10 0 mi40 mi20 m10 0-5 10分寄存器
4 H1 h8 h4 h2 h1 0-9 1小時(shí) 寄存器
5 H10 PM/AM 0 h20 h10 0-2 10小時(shí)寄存器
6 W 0 w4 w2 w1 0-6 星期寄存器
7 D1 d8 d4 d2 d1 0-9 1天寄存器
8 D10 0 0 d20 d10 0-3 10天寄存器
9 MO1 mo8 mo4 mo2 mo1 0-9 1月寄存器
A MO10 0 0 0 mo10 0-1 10月寄存器
B Y1 y8 y4 y2 y1 0-9 1年寄存器
C Y10 y80 y40 y20 y10 0-9 10年寄存器
D C1 TPS 30ADJ CNTR 24/12 - 控制寄存器1
E C2 BUSY PONC ------- * - 控制寄存器2
F C3 SYSR TEST MS1 MS0 - 控制寄存器3

RTC-4553時(shí)鐘芯片各寄存器表一

其中C1寄存器的D0位用于設置顯示時(shí)間的方式，置1為24 小時(shí)方式，置0 為12小時(shí)方式顯示，C2寄存器的BUSY為0時(shí)芯片為正常狀態(tài)，可讀可寫(xiě)，當為1時(shí)，芯片的時(shí)鐘寄存器禁止讀寫(xiě)。

上電時(shí)PONC=1，所有寄存器被初始化，時(shí)鐘指向00/01/01/12:00:00，星期日。并且所有其他寄存器清零。

寄存器C3用于設定工作方式和系統復位標志。其中MS1和MS0設置工作方式，00、01

表示選中時(shí)間寄存器和C1 、C2、C3寄存器，10和11時(shí)表示選中用戶(hù)RAM和C3寄存器。

對于時(shí)間寄存器和功能寄存器有不同的寫(xiě)操作方法。RTC-4553采用特殊的寫(xiě)指令數據寫(xiě)入，對第0頁(yè)的0D～0FH及第1頁(yè)、第2頁(yè)的寄存器的操作采用常規寫(xiě)法，地址后面的數據將原樣寫(xiě)入寄存器中，而對時(shí)間寄存器寫(xiě)操作指令只能將內部的內容加1，并自動(dòng)完成轉換，不能直接寫(xiě)入數據。芯片這種獨特的設計，防止了時(shí)鐘區數據被意外干擾出現非法數據的可能，這正是該芯片高可靠性的原因所在。圖3為時(shí)間寄存器寫(xiě)時(shí)序。

WR 和CS0為0時(shí)，芯片為寫(xiě)狀態(tài)。SIN的前4位是寄存器地址，隨著(zhù)SCK腳上的時(shí)鐘變化，內部寄存器的數據將出現在SOUT輸出端口上。數據在SCK上升沿輸入，在下降沿輸出。前4位是所選寄存器的地址，后4位是寄存器的數據，即時(shí)間值。一次操作完成后其內部的內容加1，這是該款時(shí)鐘芯片的特殊操作所在。

在片選擇中芯片，WR置高時(shí)，芯片處于讀出狀態(tài)，輸入需要8個(gè)時(shí)鐘，4個(gè)用來(lái)輸入地址；輸出數據也需要8個(gè)時(shí)鐘，包括4個(gè)地址位4個(gè)數據位。數據在 SCK上升沿輸入，在下降沿輸出。寄存器的地址由SIN腳輸入，頁(yè)面由MS0、MS1決定。圖4為讀時(shí)序圖。