周永川，馬迅

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050200）

一種實(shí)時(shí)鐘電路自我修正的方法

周永川1，馬迅2

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050200）

實(shí)時(shí)鐘電路一般由晶體振蕩電路產(chǎn)生時(shí)鐘計(jì)時(shí)信號(hào)，由于電路、晶體以及相關(guān)元器件老化等原因會(huì)導(dǎo)致晶體振蕩電路的頻率逐漸發(fā)生漂移，進(jìn)而導(dǎo)致電路計(jì)時(shí)產(chǎn)生偏差。針對上述問題，研究并完成了一種實(shí)時(shí)鐘電路在正常使用中進(jìn)行自我檢測并修正的方法。該方法可以檢測實(shí)時(shí)鐘電路輸出秒脈沖和標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖之間的頻率及相位關(guān)系，并根據(jù)檢測結(jié)果對晶體振蕩電路進(jìn)行調(diào)整。介紹了該方法的原理和實(shí)現(xiàn)方案，并通過實(shí)際測試驗(yàn)證了該方法的可行性和先進(jìn)性。該方法已經(jīng)在批量生產(chǎn)的實(shí)時(shí)鐘電路中成功應(yīng)用，修正效果顯著，可有效減少產(chǎn)品后期維護(hù)的時(shí)間和成本。

實(shí)時(shí)鐘；高精度；秒脈沖；相位；修正策略

0 引言

采用直接序列擴(kuò)頻體制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有信息隱蔽和抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其是長碼直捕在軍事等特殊領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用［1］。導(dǎo)航接收機(jī)捕獲、跟蹤的關(guān)鍵是確定起始捕獲時(shí)刻，起始時(shí)刻越準(zhǔn)確，捕獲時(shí)間越短，捕獲過程越簡易。接收機(jī)采用高精度的實(shí)時(shí)鐘電路可以極大地減小捕獲模塊的復(fù)雜度，提高捕獲速度［2，3］。現(xiàn)有實(shí)時(shí)鐘電路常用技術(shù)是通過預(yù)測晶體老化率定期對晶體振蕩電路進(jìn)行補(bǔ)償［4，5］，這樣通過預(yù)測晶體老化率的方法本身就存在準(zhǔn)確度低的問題，而且電路經(jīng)過長時(shí)間使用后會(huì)使補(bǔ)償?shù)恼`差變大［6］。因?yàn)閷?dǎo)航接收終端設(shè)備在完成捕獲跟蹤后，能夠從導(dǎo)航衛(wèi)星獲得標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息，所以，利用該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)鐘電路自動(dòng)檢測并對晶體振蕩電路進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，該方法能夠在接收機(jī)正常工作時(shí)持續(xù)運(yùn)行，修正電路輸出時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的差值。實(shí)驗(yàn)證明，該方法能夠避免預(yù)測晶體老化率不準(zhǔn)確的問題，而且能夠同時(shí)解決除晶體外其他相關(guān)元器件老化因素的影響。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 實(shí)時(shí)鐘電路工作模式

實(shí)時(shí)鐘電路通常采用雙電源供電，主電源供電時(shí)為正常工作模式，可以通過接口總線讀取電路內(nèi)部計(jì)時(shí)寄存器，電路還能輸出時(shí)鐘信號(hào)和秒脈沖信號(hào)等；后備電源（一般為紐扣電池）供電時(shí)為待機(jī)守時(shí)模式，此模式下電路只能進(jìn)行內(nèi)部補(bǔ)償和計(jì)時(shí)，其余模塊和接口不再供電，因此外部微處理器不能對實(shí)時(shí)鐘電路進(jìn)行操作，電路也不輸出時(shí)鐘信號(hào)、秒脈沖信號(hào)等［7，8］。

實(shí)時(shí)鐘電路在守時(shí)模式下會(huì)根據(jù)溫度變化自動(dòng)從內(nèi)部EEPROM讀出補(bǔ)償值來調(diào)整振蕩電路的頻率，維持實(shí)時(shí)鐘電路輸出精確的秒脈沖［9］?？紤]到手持移動(dòng)設(shè)備待機(jī)時(shí)間的問題，另外當(dāng)實(shí)時(shí)鐘電路進(jìn)入待機(jī)守時(shí)模式后，電路的各個(gè)接口基本都是停止工作的，對實(shí)時(shí)鐘電路中的振蕩電路精度進(jìn)行檢測和調(diào)整的條件并不具備，因此，本文所提及的方法也只是在實(shí)時(shí)鐘電路處于正常工作模式下才進(jìn)行。

1.2 檢測和調(diào)整方案

實(shí)時(shí)鐘電路在由備用電源供電轉(zhuǎn)為主電源供電、外部輸入標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號(hào)和10 MHz的時(shí)鐘信號(hào)條件下會(huì)進(jìn)入微調(diào)模式，用外部輸入的10 MHz時(shí)鐘計(jì)數(shù)，計(jì)算電路輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位差和相位關(guān)系［10］，包括輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相對位置關(guān)系，即輸出秒脈沖超前于還是滯后于輸入秒脈沖，以及通過連續(xù)2次檢測判斷輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間相位差的變化趨勢。

根據(jù)檢測出的輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位差和相位關(guān)系，判斷是否對提供給振蕩電路的補(bǔ)償值進(jìn)行修正，不需要修正時(shí)繼續(xù)檢測輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位差和相位關(guān)系。需要進(jìn)行修正時(shí)，根據(jù)相位關(guān)系對振蕩電路的補(bǔ)償值進(jìn)行修正，即對補(bǔ)償值加1或者減1，修正補(bǔ)償值后繼續(xù)檢測輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位關(guān)系，判斷是否繼續(xù)修正，直至修正到電路輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位差不超過1個(gè)10 MHz時(shí)鐘周期，鎖定此時(shí)的補(bǔ)償值，將鎖定的補(bǔ)償值寫入EEP-ROM的相應(yīng)地址空間.

將EEPROM中每個(gè)地址空間的最高位作為補(bǔ)償值的修正狀態(tài)指示，默認(rèn)情況下為0，修正后的補(bǔ)償值寫入EEPROM后，將對應(yīng)地址空間的最高位寫為1，表示EEPROM中該地址空間的補(bǔ)償值已經(jīng)做過修正［11］。檢測并調(diào)整電路頻率的方案流程如圖1所示。

圖1 方案流程

2 頻率和相位檢測方法

頻率和相位關(guān)系檢測算法原理如圖2所示。輸入秒脈沖是通過導(dǎo)航衛(wèi)星獲得或者其它外部設(shè)備輸入的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)，10 MHz時(shí)鐘是由外部處理器或晶體振蕩器輸入的時(shí)鐘信號(hào)。

圖2 頻率和相位檢測算法原理

實(shí)時(shí)鐘電路工作在正常模式下時(shí)，首先根據(jù)傳感器的溫度自動(dòng)從EEPROM讀出補(bǔ)償值來調(diào)整振蕩電路的振蕩頻率，維持實(shí)時(shí)鐘電路輸出穩(wěn)定的秒脈沖。當(dāng)同時(shí)具備以下3個(gè)條件：由主電源供電、外部輸入秒脈沖信號(hào)、外部輸入10 MHz的時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)時(shí)鐘電路會(huì)進(jìn)入頻率調(diào)整模式。

實(shí)時(shí)鐘電路用外部輸入的10 MHz時(shí)鐘計(jì)數(shù)，計(jì)算電路輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位差和相位關(guān)系，相位關(guān)系包括輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相對位置關(guān)系，即輸出秒脈沖超前于還是滯后于輸入秒脈沖，以及通過連續(xù)2次檢測判斷輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間相位差的變化趨勢。

因此，輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間會(huì)出現(xiàn)以下4種關(guān)系：

①輸出秒脈沖滯后于輸入秒脈沖，且輸出秒脈沖向滯后于輸入秒脈沖的方向偏移；

②輸出秒脈沖超前于輸入秒脈沖，且輸出秒脈沖向超前于輸入秒脈沖的方向偏移；

③輸出秒脈沖超前于輸入秒脈沖，且輸出秒脈沖向滯后于輸入秒脈沖的方向偏移；

④輸出秒脈沖滯后于輸入秒脈沖，且輸出秒脈沖向超前于輸入秒脈沖的方向偏移。

3 頻率修正方法

獲得頻率和相位檢測結(jié)果后，首先根據(jù)檢測出的輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位差判斷是否對振蕩電路的補(bǔ)償值進(jìn)行修正，如果相位差大于1個(gè)10 MHz時(shí)鐘周期則需要修正補(bǔ)償值，如果相位差小于1個(gè)10 MHz時(shí)鐘周期則不需要修正補(bǔ)償值。當(dāng)需要對補(bǔ)償值進(jìn)行修正時(shí)，則根據(jù)檢測結(jié)果中的相位關(guān)系對振蕩電路的補(bǔ)償值進(jìn)行修正。

補(bǔ)償值修正策略如圖3所示。圖3中，圓圈中數(shù)字用來描述輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位關(guān)系，逗號(hào)前面的數(shù)字指示輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相對位置關(guān)系，0表示輸出秒脈沖超前于輸入秒脈沖，1表示輸出秒脈沖滯后于輸入秒脈沖；逗號(hào)后面的數(shù)字指示輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位變化趨勢，0表示輸出秒脈沖向超前于輸入秒脈沖的方向偏移，1表示輸出秒脈沖向滯后于輸入秒脈沖的方向偏移。

圖3 補(bǔ)償值修正策略

對應(yīng)的修正方法如下：

如果檢測結(jié)果為（1，1），即輸出秒脈沖滯后于輸入秒脈沖，且輸出秒脈沖向滯后于輸入秒脈沖的方向偏移，則說明輸出頻率比輸入頻率低，且相位滯后，需要將補(bǔ)償值加1，以提高頻率并使相位接近；

如果檢測結(jié)果為（0，0），即輸出秒脈沖超前于輸入秒脈沖，且輸出秒脈沖向超前于輸入秒脈沖的方向偏移，則說明輸出頻率比輸入頻率高，且相位超前，需要將補(bǔ)償值減1，以降低頻率并使相位接近；

如果檢測結(jié)果為（0，1），即輸出秒脈沖超前于輸入秒脈沖，且輸出秒脈沖向滯后于輸入秒脈沖的方向偏移，則說明輸出頻率比輸入頻率低，但是相位超前，需要保持當(dāng)前補(bǔ)償值，繼續(xù)檢測，等相位接近后再調(diào)整頻率；

如果檢測結(jié)果為（1，0），即輸出秒脈沖滯后于輸入秒脈沖，且輸出秒脈沖向超前于輸入秒脈沖的方向偏移，則說明輸出頻率比輸入頻率高，但是相位滯后，需要保持當(dāng)前補(bǔ)償值，繼續(xù)檢測，等相位接近后再調(diào)整頻率。

修正補(bǔ)償值后，如果檢測輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位差仍大于1個(gè)10 MHz時(shí)鐘周期，則繼續(xù)根據(jù)相位關(guān)系進(jìn)行修正。如果電路輸出秒脈沖和輸入秒脈沖之間的相位差不超過1個(gè)10 MHz時(shí)鐘周期，則鎖定當(dāng)前的補(bǔ)償值。將鎖定的補(bǔ)償值寫入EEPROM的相應(yīng)地址空間，同時(shí)將該地址空間的最高位寫為1，表示EEPROM中該地址空間的補(bǔ)償值已經(jīng)做過修正。

4 測試結(jié)果分析

按照上述方法設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)RTC電路后，進(jìn)行了如下測試以驗(yàn)證RTC電路是否能夠達(dá)到預(yù)期的±0.1 ppm精度要求，RTC電路測試原理框圖如圖4所示。測試過程全部在高低溫箱中進(jìn)行，以便驗(yàn)證RTC電路在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)（－40～＋85℃）的守時(shí)精度結(jié)果［12］。

圖4 RTC電路測試原理

首先通過控制軟件將RTC電路設(shè)置為待機(jī)守時(shí)工作模式，即不提供標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)以及10 MHz時(shí)鐘，在此條件下測試RTC電路修正前的精度及穩(wěn)定性?？刂茰叵湟悦啃r(shí)4℃的速率在－40～＋85℃范圍循環(huán)運(yùn)行，用頻率計(jì)記錄輸入秒脈沖的頻率值，最后作圖查看RTC電路補(bǔ)償后的精度［13］。測試結(jié)果如圖5所示，由數(shù)據(jù)分布可以看出，頻率分布在－0.2～＋0.7 ppm。

圖5 修正前頻率精度及穩(wěn)定性測試結(jié)果

然后，通過控制軟件將RTC電路設(shè)置為正常工作模式，外部接入標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)以及10 MHz時(shí)鐘，RTC電路即進(jìn)入自我調(diào)整模式。控制溫箱以每小時(shí)4℃的速率在－40～＋85℃循環(huán)運(yùn)行2次，使RTC電路內(nèi)全溫區(qū)的補(bǔ)償值均得到修正。

完成后重新使RTC電路進(jìn)入守時(shí)模式，按照上述方式測試RTC電路修正后的精度及穩(wěn)定性。修正后RTC電路秒脈沖頻率精度及穩(wěn)定性測試結(jié)果如圖6所示，可以看出修正后的頻率分布在－0.1～＋0.1 ppm。

圖6 修正后頻率精度及穩(wěn)定性測試結(jié)果

由上述測試結(jié)果對比可知，該方法可以在導(dǎo)航接收機(jī)以及RTC電路正常工作的情況下，有效地修正RTC輸出頻率的偏差，使RTC電路能夠持續(xù)為導(dǎo)航接收機(jī)提供精確的時(shí)間信息。

5 結(jié)束語

上述方法以標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖輸入信號(hào)為基準(zhǔn)，檢測并修正實(shí)時(shí)鐘電路因老化等原因產(chǎn)生的頻率偏差，確保了實(shí)時(shí)鐘電路在使用過程中甚至長期使用后的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。調(diào)整過程只在接收機(jī)設(shè)備主電源供電時(shí)進(jìn)行，在待機(jī)守時(shí)模式下停止工作，因此不會(huì)增加接收機(jī)設(shè)備待機(jī)的功耗，即不會(huì)縮短備用紐扣電池的使用時(shí)間。該方法可以為導(dǎo)航接收機(jī)提供更加準(zhǔn)確的初始時(shí)間信息，尤其適合長碼直捕導(dǎo)航終端方面的應(yīng)用。

［1］張新波.衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)中長碼直捕算法研究與FPGA實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2008：38－39.

［2］何成龍，王 垚.GPS L1C信號(hào)Weil碼相關(guān)性能分析［J］.無線電通信技術(shù)，2013，39（1）：32－35.

［3］吳華兵.GNSS P碼直捕算法研究與實(shí)現(xiàn)［D］.北京：中國科學(xué)院研究生院，2011：1－5.

［4］王文革，萬 千.國際移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中頻率補(bǔ)償技術(shù)［J］.無線電通信技術(shù)，2011，37（1）：10－12.

［5］趙東世，凌朝東，黃煒煒，等.一種新型實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片溫度誤差補(bǔ)償方法［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，32（4）：478－480.

［6］黨曉圓，單慶曉，肖昌炎，等.基于GPS與北斗雙模授時(shí)的壓控晶振校頻系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2009，17（11）：2 246－2 248.

［7］張德印.石英晶體振蕩器［J］.邢臺(tái)師范高專學(xué)報(bào)，2002，17（2）：45－47.

［8］李二鵬，文開章，馮保紅，等.石英晶體振蕩器頻率特性的測量與分析［J］.測控技術(shù)，2010，29（1）：81－83.

［9］魏 婧.21.4 MHz晶體振蕩器的微機(jī)溫度補(bǔ)償［D］.成都：電子科技大學(xué)，2010：18－21.

［10］王 飛，蘇 娟，高 光.GPS校頻定時(shí)電路板的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.無線電工程，2001，31（2）：23－25.

［11］陳建國.一種帶有加密邏輯的EEPROM的應(yīng)用［J］.無線電工程，1997，27（5）：60－64.

［12］杜 燕，劉陽琦，龔大亮.計(jì)算機(jī)時(shí)間同步誤差的高精度測試方法［J］.無線電工程，2009，39（2）：57－58.

［13］周文利，饒友新，劉 剛，等.微處理器溫度補(bǔ)償晶體振蕩器的設(shè)計(jì)［J］.華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，28（11）：3－5.

A Method for Self-correction of Real Time Clock Circuit

ZHOU Yong-chuan1，MA Xun2
（1．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2．Hebei Far East Communication System Engineering Co．，Ltd．，Shijiazhuang Hebei 050200，China）

The real-time clock circuit generally consists of a crystal oscillator circuit that generates a clock timing signal.Due to aging of the circuit，crystal and related components and other reasons，the frequency of the crystal oscillator circuit drifts gradually，lead-ing to circuit timing deviations.To solve these problems，a self-detect and correction method for real-time clock circuit in normal use is implemented.This method can detect the frequency and phase relationship between the second pulse generated by real-time clock circuit and the standard second pulse，and make adjustments to the crystal oscillator circuit according to test results.The principle and imple-mentation of the method are introduced，and feasibility and advancement of the method are verified by test.This method has been successfully applied in the production of real-time clock circuit，producing significant adjustment effect.The method can effectively reduce the time and cost of ongoing maintenance of products.

real-time clock；high accuracy；second pulse；phase；strategy of adjustment

TN752.2

A

1003－3106（2015）11－0033－04

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.11.09

周永川，馬 迅.一種實(shí)時(shí)鐘電路自我修正的方法計(jì)［J］.無線電工程，2015，45（11）：33－36.

周永川男，（1982—），工程師。主要研究方向：集成電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

2015-08-20

國家部委基金資助項(xiàng)目。

馬 迅男，（1986—），助理工程師。主要研究方向：集成電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用。