高準確度時(shí)鐘程序算法

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

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

電子計時(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。電子計時(shí)器的計時(shí)部分就是對基本定時(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 引起計時(shí)誤差的因數

一個(gè)常規電子計時(shí)器的計時(shí)準確度，取決于晶振標稱(chēng)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。普通晶振的實(shí)際頻率與標稱(chēng)頻率有較大的偏差，可達萬(wàn)分之五（萬(wàn)分之5），折算到一天計時(shí)誤差就是43.2s。一般室內氣溫變化在每天10℃左右，對應晶振頻率溫漂10 -5，若以一段較長(cháng)的時(shí)間取溫漂的平均值則更小。因此電子計時(shí)器的誤差主要取決于晶振實(shí)際頻率與標稱(chēng)頻率的偏差。

2 減少計時(shí)誤差的方法

2.1 純硬件方法

對于純硬件計時(shí)電路，因分頻系數N固定不變，要提高計時(shí)準確度只能調整fo，使得已盡可能接近于fs。常規減少計時(shí)誤差的方法是：微調元件L、C、R的參數，調節硬件頻率，使得時(shí)鐘源的頻率誤差減小。但此方法操作復雜，沒(méi)有一定的電子技術(shù)知識和專(zhuān)用儀器很難校準，而且會(huì )降低晶振頻率穩定度。

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)際頻率與標稱(chēng)頻率間誤差引起的計時(shí)誤差。

令晶振標頻率為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是在標稱(chēng)頻率fs下定時(shí)TNS的分頻系數。

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歸入總的計時(shí)程序中，從而消除fs和fo間偏差引來(lái)的計時(shí)誤差。對于專(zhuān)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(xiě)回芯片的方法校正。對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，則有更好的提高計時(shí)準確度的方法。因為定時(shí)器的分頻系數是可以動(dòng)態(tài)改變的，如89C52內置的16位計數器，分頻系數可以在1～2 16內任意選取。令N=(1/k)Ns作為分頻系數寫(xiě)入計數器，這樣每個(gè)基本計時(shí)周期TN=TNS，從而實(shí)現軟件校正定時(shí)周期。

在(1/k)×Ns剛好為整數時(shí)，可以使得計時(shí)誤差為0。大部分的情況(1/k)×Ns并不是整數，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（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RAM中定義1個(gè)字節發(fā)尾數，令它的滿(mǎn)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）。對應于上述的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)。根據精度要求，可以在片內RAM中定義2個(gè)字節，令它的滿(mǎn)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：對于使用89C52的T2決定器，若標稱(chēng)為12MHz的晶振實(shí)際長(cháng)期平均振蕩頻率fo=12.0006MHz，量化精度取1字節，取TNS=10ms，則分頻系數為：

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次尾數暫存值。

每次定時(shí)中斷服務(wù)程序均執行（1）式，取得第I次定時(shí)計數值，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)際的計數值，至于實(shí)際寫(xiě)入特定定時(shí)器的數值，則須根據具體定時(shí)器的遞減、遞加計時(shí)性質(zhì)分別寫(xiě)入Ni或Ni的補碼，同時(shí)定時(shí)器在溢出到新的定時(shí)值裝入并開(kāi)始新定時(shí)周期這段時(shí)間，將TLOAD考慮在內。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(xiě)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的補碼，即65536-Ni；而對于89C52 T0和T1定時(shí)器則實(shí)際寫(xiě)入的定時(shí)初值是：Ni的補碼+TLOAD對應的機器周期數。

3 測量晶振實(shí)際長(cháng)期振蕩頻率

沒(méi)有專(zhuān)用儀器，怎樣測得晶振實(shí)際長(cháng)期振蕩頻率？有一個(gè)很簡(jiǎn)單的方法。以標稱(chēng)頻率下的定時(shí)計數值Ns作為實(shí)際計數值，在電臺報時(shí)時(shí)將時(shí)間設置正確，然后讓它運行一段較長(cháng)的時(shí)間，再與電臺的報時(shí)比較求出誤差的秒數，即可算出實(shí)際頻率。例如晶振標稱(chēng)頻率是12Mz，時(shí)鐘運行了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(hù)直接輸入N和NT的值；或輸入運行了多少天、時(shí)、分、秒，快或慢了多少秒，讓系統自動(dòng)算出N和NT，將會(huì )為從根本上校準時(shí)鐘帶來(lái)極大方便。任何人都可以輕松地提高時(shí)鐘準確度而無(wú)需專(zhuān)業(yè)知識和專(zhuān)用儀器。

現在微控制器已廣泛應用于人們日常生活的各個(gè)方面，電子時(shí)鐘也隨著(zhù)它融入到各種電器和設備中，如專(zhuān)門(mén)時(shí)鐘功能的石英表和各種附帶電子計時(shí)器的電器如手機、普通液晶顯示電話(huà)、VCD機、DVD機、電視及高檔音響、空調遙控器、電力系統微機自動(dòng)化設備等。高檔專(zhuān)用計時(shí)器如高檔石英表，因為計時(shí)是它的主功能，須保證計時(shí)準確度而對計時(shí)時(shí)鐘源準確度要求嚴格，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(chǎng)時(shí)一般不嚴格校正，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10秒/天以上，每天都需校正，否則運行幾天就會(huì )因誤差太大而變得不可信，令用戶(hù)不勝煩惱。

在電力系統中，無(wú)人值班變電部須安裝無(wú)功自動(dòng)控制設備。它根據一天中的不同時(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)的功率因數盡可能接近于1，以利于經(jīng)濟運行。但有些設備仙部時(shí)鐘每天誤差>5分種。若將本文算法編入計時(shí)程序中，讓用戶(hù)自己校正定時(shí)參數，將大大提高各種附帶時(shí)鐘的計時(shí)準確度。

將基于軟件提高實(shí)時(shí)時(shí)鐘準確度的算法應用于普通石英晶振，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)行軟件計時(shí)校正后，每10天的計時(shí)誤差1s。本文提出的基于軟件提高時(shí)鐘準確度的算法，具有極高的實(shí)用價(jià)值。