內置高精度溫補硬件RTC的SoC智能電表方案

　　從目前國網單相智能電能表整體方案來看，電子物料中成本較高的分別是實時時鐘芯片、ESAM安全芯片、MCU、計量芯片、LCD驅動。ESAM安全芯片由于安全需要為國網指定使用，不具備集成條件；計量芯片雖然在趨勢上最終要被集成到SoC芯片，但由于國網對此態(tài)度較為審慎，短時間難有突破。所以目前比較務實的SoC方案是將LCD驅動和實時時鐘芯片集成進去。LCD驅動大部分IC廠商均有類似產品，并不存在技術難度。而實時時鐘方面，單相智能電表使用的芯片主要為EPSON的8025T、Intersil12020M、美信DS3231，單價均在7元以上，價格較貴，但其性能指標較高，-40℃~85℃范圍內，精度優(yōu)于0.432s/d，遠高于國網要求的-25℃~60℃，1s/d的要求。要在SoC芯片中實現(xiàn)外置實時芯片接近的性能，雖有難度，但也并非完全不可能。

　　實時時鐘的計時精度主要取決于時鐘源的特性，以及如何根據時鐘源的特性做出補償機制。下面就這兩個方面來做簡單的介紹。

　　由于實時時鐘芯片需要在電池供電情況下工作，所以功耗成為一個很重要的考慮因素，通常采用高ESR的音叉晶振。音叉晶振精度受到以下幾個方面的影響。

　　生產工藝的偏差導致常溫下的頻率發(fā)生偏移。頻率偏移量一般在±20PPM左右，精度稍高的在±5PPM；

　　溫度的影響：這部分影響最大，頻率偏移與溫度近似成拋物線特性；

　　老化：晶振精度會隨著工作時間的增加而發(fā)生變化。第一年晶振精度最大會有±3PPM變異，整個使用壽命期間會有±10PPM的變化；

　　激勵功率的影響：過高的激勵功率會影響時鐘源的精確性和壽命，所以激勵功率應控制在晶振可接受的范圍內，對于常用的32768音叉晶振，激勵功率應小于1μW；

　　負載電容：包括外接的負載電容和PCB雜散電容。負載電容對頻率的影響稱為牽引率，可用以下公式表示：

　　其中，CM為晶體的動態(tài)等效電容，C0為晶體的靜態(tài)電容，CL為外接負載電容。

常見的補償機制分為模擬方法和數字方法

　　模擬方法主要原理是利用負載電容對頻率的影響來實現(xiàn)，通過增加和減少負載電容來達到補償頻率偏移的目的。這種方法的優(yōu)點在于補償的實時性，補償后的每個32768kHz時鐘都是準確的。但缺點也很明顯，補償的范圍有限，電容太大或太小都將帶來穩(wěn)定性問題；補償的非線性以及補償效果與晶體本身的CM有關，這將帶來批量調節(jié)的復雜性。

　　常用的數字補償機制為TTF(數字脈沖吞吐法)，通過吞吐時鐘的個數來達到對計時精度的補償。比如，對于32768Hz時鐘源，通常只需要數32768個脈沖，就可輸出精確的1Hz信號，但當時鐘源振蕩頻率由32768Hz變大為32769Hz時，仍按32768個脈沖計數輸出1Hz信號顯然會偏快。這時可以通過增加1個脈沖即數32769個脈沖再輸出1Hz，這時的1Hz就是精確的了。補償的精度為1/32768=30.5PPM。如果需要提高補償精度可以有兩種辦法：1) 增加吞吐脈沖數的周期時間，如由1s增加至60s，此時調節(jié)精度變?yōu)?/32768/60=0.51PPM，但實時性降低；2) 提高吞吐脈沖的頻率，如內置100倍頻的PLL電路，這樣增加1個脈沖改變的寬度僅為原32768Hz的1/100，此時補償精度可達到0.305PPM，但這樣會帶來功耗的增加。數字補償方法的優(yōu)點是不需要改變振蕩器本身，其補償范圍大，又不會帶來穩(wěn)定問題，補償效果確定，與晶體特性無關。缺點是補償的實時性和功耗難以同時保證。

　　目前市面上的實時時鐘芯片出于電池應用場合功耗考慮，大多采用模擬方法與數字低頻時鐘方法相結合的方法來實現(xiàn)實時性和功耗平衡，其缺點是工廠調校較多。而在智能電表特定應用場合，在電池供電情況下無需輸出1Hz秒脈沖，此時對校正的實時性要求不高，可以使用低頻脈沖補償方法，同時滿足功耗的要求。而在市電供電情況下要求輸出穩(wěn)定精確的1Hz秒脈沖，但此時對功耗要求不高，因此可采用高頻脈沖方式來進行輸出補償，這便使得全數字補償成為可能。

　　本文采用的方式就是全數字補償方式。系統(tǒng)結構圖如圖4所示。

　　該系統(tǒng)采用的是中穎電子為國網量身定制的SoC芯片SH79F6431。

　　SH79F6431主要資源如下：

　　工作電壓2.4V~3.6V(部分IO支持5V，用于PLC接口)；

　　JTAG在線調試；

　　64KB FLASH程序存儲空間；

　　256B IRAM，2816 XRAM；

　　3路UART接口，一路內置紅外調制電路；

　　3路定時器，2路PWM，可用來產生ESAM和CPU卡時鐘；

　　硬件IIC接口，方便與LCD，EEPROM通訊；

　　內置4通道10 bit ADC，可內部直接測量電池電壓；

　　帶補償低功耗硬件實時時鐘；

　　內置高速PLL；

　　內置掉電檢測基準源，方便準確檢測外部掉電；

　　內置電源切換電路；

　　內置4*39 LCD driver；

　　支持ISP。

　　從資源上看，SH79F6431完全可以滿足國網單相電能表的應用，比較特別的是其RTC為硬件RTC，其運行獨立于CPU，不受各種復位電路的影響，并可提供兩種供電模式下的功耗兼顧和實時性補償機制。在保證市電供電情況下，每個秒脈沖都準確穩(wěn)定，而且用戶接口統(tǒng)一，非常簡單易用，用戶只要將需要校正的頻率偏差除以2.03并取整后寫入校正寄存器(RTCDATA)即可。

　　圖4中Rref，Rntc和C1組成測溫電路，用于晶體環(huán)境溫度的測量。考慮到功耗和自熱問題，Rref和Rntc的阻抗較大，這里Rref選用100kΩ/0.1%電阻，Rntc采用50kΩ，C1為1000pF，用于滿足ADC輸入動態(tài)電阻的要求。

　　振蕩器選用Seiko VT-200F及12pF，電容應采用溫漂較小的C0G電容。

　對于前文提到的各種影響時鐘精度的因素，補償方法如下：

　　工藝和負載電容的影響：

　　在常溫(25℃左右)下測量出頻偏B(單位PPM)，將B/2.03寫入RTCDATA即可。

　　老化的影響：

　　根據晶體實際工作時間和老化率，將老化引起的頻偏除以2.03可得到老化補償值，與常溫補償值和溫度補償值代數求和后，寫入RTCDATA，每年補償一次。

　　溫度的影響：

　　用測溫電路測量出當前的溫度值，根據溫度和晶振頻率隨溫度變化的曲線，找到對應溫度下由溫度影響引起的頻偏A。全溫度范圍內，要補償滿足國網要求，需確保溫度控制在±1℃以內。

　　晶振的溫度特性并非理想的拋物線，各廠商的溫度特性均不相同，需要大量的溫度實驗來獲取溫度特性，工作量巨大。實踐表明，每5℃一個點進行描繪，既可以保證精度，又可以使工作量得到較大的減輕。

　　補償動作在市電供電下，可一分鐘進行一次；在電池供電下，考慮到功耗，一般十五分鐘一次即可。一次補償的軟件流程如圖5所示。

　　本文小結

　　基于SH79F6431的內置RTC補償SoC方案，簡單易行，無需復雜運算，相比較獨立RTC芯片成本得到大幅降低。目前該方案通過批量試產驗證，性能可優(yōu)于國網要求，全溫度范圍內，達到±0.3s/d，補償效果關鍵取決于測溫精度和物料的一致性。