请教关于单片机系统的实时时钟问题

发表于 2008-11-18 21:12

实时时钟是单片机系统面临的重要课题，理论上讲，每个单片机应用系统都应具有实时时钟系统，如同PC机及手机上的RTC。我看了一些应用系统例程，无非是两种办法：一是用单片机自己的TIMER，再者是用DS1302时钟芯片。
    实时时钟的计时精度最终取决于晶振的准确性及稳定度，PC及手机的计时精度是非常不错的，由于其生产规模庞大，估计其晶振的性价比极高，以器件渠道而言，单片机系统难以比附，在这种情况下，如何提高单片机系统的计时精度呢？或者说，从理论上讲，我们最终能够做到多少精度？
    常见单片机用晶振的指标大约是准确度50~150PPM，稳定性也是这样，根根有关理论，晶振的秒稳定度应比其准确度至少高一数量级，这样综合考虑下来，则其合成准确度十分恐怖，再考虑温漂，廉价晶振无非是个节拍器罢了，对于计时而言，可以说一无是处。
    那么实测结果又怎样呢？
    TIMER的计时准确度取决以下几个方面：晶振的稳定度、谐振电容的匹配性及温漂、软件处理的合理性。
    软件处理实际上是一个重装初值的问题，我采取如下办法：
    TR0=0；
    TL0=TL0+V_TL0;
    TH0=TH0+V_TH0;
    TR0=1;
    以上的办法我理解为动态修正，与救火车老师讲的原理殊无二致。根据在KEIL中的模拟：在置位TR0的情况下，观察进入TIMER中断时TL0的值，多次观察的结果，其值并不一致，这是因为TIMER每次响应中断的时间并不相同所致。所以动态修正是必要的。
    上几条语句反汇编的结果如下：

    CLR      TR0(0x88.4)
    MOV      A,#IP(0xB8)
    ADD      A,TL0(0x8A)
    MOV      TL0(0x8A),A
    MOV      A,#0x3C
    ADD      A,TH0(0x8C)
    MOV      TH0(0x8C),A
    SETB     TR0(0x88.4)

    根据以前在论坛中咨询的结果，以上指令共需八个机器周期，由于执行SETB TR0时TL0已开始计数，所以在理论初值上一共补偿7个。
    谐振电容按资料上讲应尽量匹配，且宜选用温飘低的正牌厂家的产品，由于渠道所限，所用的电容应该疑似正牌罢！
    我没有采用从晶振的XTAL2处直测频率的办法，这是出于不影响其正常振荡的考虑，采取测中断周期这种间接的办法，通过不断调整V_TL0，得到精确的100ms中断周期，再通过V_TL0反推晶振真实频率，考虑量化误差的影响，晶振频率准确度约为30ppm。
    稳定性如何呢？在温度、电源负载恒定的情况下，可以忽略不计。
    在实验室（未刻意恒温）中启动计时24小时，未见明显误差。在打开实验室窗户的情况下再计时24小时，由于当日气温下降了约10度，其计时误差为10秒。（采取用收音机收地方台的办法授时）。
    10秒是个致命的误差。接下来几天继续观察，偏快偏慢不等，看来用廉价晶振时，单片机的TIMER并不适合做系统的实时时钟。
    DS1302又如何呢？我没有首选DS1302是基于如下考虑：3元芯片+2元晶振+1元电池+3根口线，其软件效率如何呢？由于是串行读写，有这读写的功夫，TIMER也已完成了计时，况且用TIMER可直接从内部RAM中取数，用DS1302得通过串行办法从外部RAM中取数，那个速度要慢很多。再则二者的计时精度都是依赖晶振，无非一个是用硬件计时一个是用软件计时，二者并无本质的差别。还有，TIMER在晶振稳定性优于其准确度的情况下，可以用软件修正的办法提高计时精度，而DS1302在晶振不准时只能无可奈何！
    惟一的好处是DS1302用的晶振号称钟振，听说电脑主板、石英钟、表都用的是这个，渠道或者畅通一点罢，至于DS1302对晶振负载电容6PF的要求，询问商家，茫无所知，渠道仍属不畅，但总要试一下。
    对DS1302的试验结果是日误差20秒，这个当然与器件本身无关，问题在晶振，网上有资料说，可以串或并一个几PF电容调整晶振的负载电容，通过用频率计测试，得到精确的32.768kHz的晶振频率，我对此方法存疑，因为我在监测晶振频率的过程中，一个小时内，计时误差达到数分钟，亦即测试工作直接影响到了晶振振荡频率，纵然你依此调出了准确的频率，但取下频率计的测试线后，其振荡频率并不是你调校好了的结果。再者，即便通过串并联电容得到了较好的准确度，也只是摸石头过河的个案成功，并无理论上的指导意义，继续试验的价值不大。
    总结困难，问题在器件上——晶振、电容、负载电容。虽说国货当自强，但困难在眼前，用SEIKO、EPSON的器件罢，据说“贼贵”，用内部集成晶振及电池的计时芯片吧，“成本就上去了”，我想，用常规的国产器件，加上一些软硬方法，做一个单片机的实时时钟模块，达到PC机及手机RTC的精度，应该是有办法的，想就此求教各位老师！

发表于 2008-11-18 21:19

正确测量校准RTC晶振的方法是将信号从RTC芯片的CLKOUT或者FOUT引脚引出测量，绝大多数RTC都具备将晶振频率分频或者直接输出的功能。

51的指令不等长结构决定了每次进入定时器中断的时间不会一致，需要用51精确定时，定时器必须使用自动重载模式。

发表于 2008-11-18 21:25

谁说51做RTC必须用自动重装载的定时器。
51在响应中断时，定时器又没有被打断。。。

发表于 2008-11-18 21:29

发表于 2008-11-18 21:33

发表于 2008-11-18 21:34

具体到DS1302，并无频率输出引脚，我也觉得直接从晶振引脚处测试不妥，如想测频率，当如之何呢？

另外，我采用的重装初值办法，是否可以算自动重载？

TIMER的方式二才算自动重载吗？那个中断周期太短，量化误差积累下来恐怕要命。

发表于 2008-11-18 21:47

1、换别的RTC咯，多了去了的东西。
2、定时器2有16位自动重载方式，中断间隔可以长很多，即便是8位方式，中断内也仅仅是对某个变量加一处理，有足够的时间在下次中断前退出。

发表于 2008-11-18 21:50

推荐阅读：《深入浅出AVR单片机——从ATmega48/88/168开始》定时器章节。

发表于 2008-11-18 22:13

根据分析及实验结果，软件处理没有问题，RTC芯片也没有问题，关键是授时用的晶振，它经不起温度变化，负载变化也有影响。单片机系统一般都属于小电子，无法订制晶振，在只有到市场上买现成的这种状况下，如何提高实时时钟的精度，可有善策？

NE5532老师：那本书我见过，不是51，没买，原理性的东西应大同小异吧！有机会到书店蹭点白书看看！

发表于 2008-11-18 22:39

计算机的“时钟”和我们在墙上挂的“时钟”是不一样的。转换的介质就是“人”。

发表于 2008-11-18 22:52

用有源晶振不就好了嘛？市场上很多的，基本上温漂都小于15PPM的，而且也不是很贵，51的话1脚接地2脚接有源晶振的输出就行了...相当方便...
不惜成本的话可以用FM31XXX的铁电存储器上的实时时钟，它是有校正频率输出的...就是价格...

发表于 2008-11-18 22:55

我地处偏僻，要有出差机会才能买书，买芯片，有机会一定买来拜读。谢谢您的指导！

发表于 2008-11-18 23:03

有源晶振的问题，其实我也考虑过。五元左右罢！
向您讨教：
是否1脚NC，二脚GND，三脚输出，四脚VCC。输出接51的XTAL1，51的XTAL2悬空，因为CMOS的单片机的时钟信号取自XTAL1（反相放大器的输入端）。

要注意是方波还是正弦波波吗？是否不拘波形？

发表于 2008-11-18 23:26

发表于 2008-11-18 23:43

发表于 2008-11-18 23:55

DS1302用CR2032电池可做到10年不换电池，作为产品上的一项指标还是挺有吸引力的，毕竟换电池还是比较烦人的。

发表于 2008-11-19 09:01

本人推荐下:
   PHILIPS 8563 25度下精度可以调到5ppm,如果要全天候保证精度,
                得根据温度进行软件补偿.
   DALAS  DS1302大概与8563差不多.
   R8025  内置水震晶子,性能比8653强,室温下(25度):5ppm 价格也比其贵.
          内部带温度测量.可以;全天候要保证精度需软件校准.
   DS3231 性能超强,0-40度内+-2ppm. -40-85度内+-3.5ppm
   DS3231本人用过,R8025在电能表上用的人N多.8563早期的电能表用的多,
          后来也都改成8025或其它了.DS3231一般用在高端的电能表上.

发表于 2008-11-19 18:49

DS1302的成本及低功耗确实诱人,但其将计时精度委之晶振,使人行之不便,舍之不甘,可堪浩叹!

感谢17楼推荐的片子,在下记住了DS3231,知其内含温补晶振,在成本允许的情况下,可以一试!

发表于 2008-11-19 21:55

比如，单片机输出0.3HZ的波形，用高精度仪器测试，得到实际频率，再在MCU中写一个数据，MCU根据该数据修正时间。

发表于 2008-11-19 22:33

我正是这样办理的,这可以解决固定温度条件下的系统误差问题,现在的困难是,环境温度变化后,以前的努力即无效了.
解决温飘问题有两法:一是实测温度再进行补偿,这个难以操作;
二是用温补晶振或有温度补偿功能的芯片,缺点是价格高,资料也欠缺!

还是想在DS1302上想办法,因为日误差3秒可以接受,只要找到负载电容为6PF的32768晶振,再来做实验还是有意义的.但这个也困难,难以理解,无法理解,这是常用芯片,也是电子工程师的忠仆,其配套的晶振竟也难求?

难道电子工程师要始终走在性能及价格这两把刀的刀尖上?

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