高準確度時鐘程序算法

摘要：通過對引起實時時鐘計時誤差因數(shù)的分析，給出了一種提高實時時鐘長期計時準確度的實用而有效的軟件方法。該方法具有成本低、易實現(xiàn)、通用性強、徹底校正等優(yōu)點。

關鍵詞：實時時鐘 準確度 定時器 軟件校正

電子計時器通常以石英晶振為時鐘源。時鐘源的頻率通常為幾十kHz乃至幾十MHz，而學用時鐘的最小計單位一般在0.01s～1s。高頻的時鐘源脈沖通過分頻器后產生基本定時脈沖。電子計時器的計時部分就是對基本定時脈沖進行累加，產生秒、分、時等時間信息乃至日、月、年等日期信息。

1 引起計時誤差的因數(shù)

一個常規(guī)電子計時器的計時準確度，取決于晶振標稱頻率（fs）與實際頻率（fo）的頻率偏差和晶振頻率的時漂、溫漂等離散參數(shù)。普通晶振的實際頻率與標稱頻率有較大的偏差，可達萬分之五（萬分之5），折算到一天計時誤差就是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，若以一段較長的時間取溫漂的平均值則更小。因此電子計時器的誤差主要取決于晶振實際頻率與標稱頻率的偏差。

2 減少計時誤差的方法

2.1 純硬件方法

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

2.2 純軟件方法

由微控制器控制的實時時鐘，可以采用軟件的方法消除晶振實際頻率與標稱頻率間誤差引起的計時誤差。

令晶振標頻率為fs，而實際頻率為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是在標稱頻率fs下定時TNS的分頻系數(shù)。

由微控制器控制的實時時鐘，可以用軟件模擬，將1/k歸入總的計時程序中，從而消除fs和fo間偏差引來的計時誤差。對于專用硬件時鐘電路如：DS1320、PCF8583等，可以采用每小時或每10分鐘讀出時間，然后乘上1/k再寫回芯片的方法校正。對于采用可編程分頻定時器，由軟件模擬時鐘功能的軟件實時時鐘，則有更好的提高計時準確度的方法。因為定時器的分頻系數(shù)是可以動態(tài)改變的，如89C52內置的16位計數(shù)器，分頻系數(shù)可以在1～2 16內任意選取。令N=(1/k)Ns作為分頻系數(shù)寫入計數(shù)器，這樣每個基本計時周期TN=TNS，從而實現(xiàn)軟件校正定時周期。

在(1/k)×Ns剛好為整數(shù)時，可以使得計時誤差為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，就會帶來的量化誤差，最大可達（1/2N），這是一個不容忽視的問題。以12MHz的89C52T2定時器定時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的1/2N下降到1/（2×N×256）。對應于上述的10ms定時程序，其最大量化誤差的累加值由原來的4.32秒/天減少到0.016875秒/天，這是很大的改進。根據(jù)精度要求，可以在片內RAM中定義2個字節(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：對于使用89C52的T2決定器，若標稱為12MHz的晶振實際長期平均振蕩頻率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決定時值，可能是10000或10001，這取決于Nti的進位；Nti為第I次尾數(shù)暫存值。

每次定時中斷服務程序均執(zhí)行（1）式，取得第I次定時計數(shù)值，然后實時時鐘增加10ms，完成時鐘功能。值得注意的是，Ni是實際的計數(shù)值，至于實際寫入特定定時器的數(shù)值，則須根據(jù)具體定時器的遞減、遞加計時性質分別寫入Ni或Ni的補碼，同時定時器在溢出到新的定時值裝入并開始新定時周期這段時間，將TLOAD考慮在內。例如89C52 T2工作于自動重裝定時初值、遞加定時方式時，實際寫入定時器T2的捕獲/自動重裝載寄存器（Rcap 2H,Rcap2L）的值是Ni的補碼，即65536-Ni；而對于89C52 T0和T1定時器則實際寫入的定時初值是：Ni的補碼+TLOAD對應的機器周期數(shù)。

3 測量晶振實際長期振蕩頻率

沒有專用儀器，怎樣測得晶振實際長期振蕩頻率？有一個很簡單的方法。以標稱頻率下的定時計數(shù)值Ns作為實際計數(shù)值，在電臺報時時將時間設置正確，然后讓它運行一段較長的時間，再與電臺的報時比較求出誤差的秒數(shù)，即可算出實際頻率。例如晶振標稱頻率是12Mz，時鐘運行了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，讓用戶直接輸入N和NT的值；或輸入運行了多少天、時、分、秒，快或慢了多少秒，讓系統(tǒng)自動算出N和NT，將會為從根本上校準時鐘帶來極大方便。任何人都可以輕松地提高時鐘準確度而無需專業(yè)知識和專用儀器。

現(xiàn)在微控制器已廣泛應用于人們日常生活的各個方面，電子時鐘也隨著它融入到各種電器和設備中，如專門時鐘功能的石英表和各種附帶電子計時器的電器如手機、普通液晶顯示電話、VCD機、DVD機、電視及高檔音響、空調遙控器、電力系統(tǒng)微機自動化設備等。高檔專用計時器如高檔石英表，因為計時是它的主功能，須保證計時準確度而對計時時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，其時鐘只是的一個附帶功能，出廠時一般不嚴格校正，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，無人值班變電部須安裝無功自動控制設備。它根據(jù)一天中的不同時間段和電網無功情況自動投退電容器組，使得電網的功率因數(shù)盡可能接近于1，以利于經濟運行。但有些設備仙部時鐘每天誤差>5分種。若將本文算法編入計時程序中，讓用戶自己校正定時參數(shù)，將大大提高各種附帶時鐘的計時準確度。

將基于軟件提高實時時鐘準確度的算法應用于普通石英晶振，利用89C52 T2定時器的軟實時時鐘，未作校正每天11s；進行軟件計時校正后，每10天的計時誤差1s。本文提出的基于軟件提高時鐘準確度的算法，具有極高的實用價值。