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(國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 210003)

AVR微控制器的多CPU共享高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)

付國(guó)新，江曉亮

(國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 210003)

基于AVR微控制器設(shè)計(jì)了一種高精度、穩(wěn)定準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)，多CPU通過(guò)高速SPI總線共享時(shí)鐘信息，給出了硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，該設(shè)計(jì)已經(jīng)在電力系統(tǒng)故障錄波裝置中成功應(yīng)用，具有一定的推廣價(jià)值。

AVR微控制器；SPI總線；TWI總線；IRIGB碼

引 言

在電力系統(tǒng)中，幾乎所有自動(dòng)化裝置都需要有一個(gè)高精度、高分辨率的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，尤其是電力系統(tǒng)故障錄波裝置，時(shí)戳的分辨率至少為30.517 5 μs，而且能接收GPS裝置的對(duì)時(shí)。一般時(shí)鐘芯片的分辨率最多到0.1 s。如果需要分辨到μs級(jí)，就需要CPU維護(hù)一個(gè)μs級(jí)的定時(shí)器，這樣既消耗CPU資源，又對(duì)多任務(wù)系統(tǒng)下的操作系統(tǒng)造成負(fù)擔(dān)。隨著對(duì)電力系統(tǒng)故障錄波裝置采集數(shù)據(jù)時(shí)戳的精度和分辨率要求越來(lái)越高，對(duì)時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高。本文設(shè)計(jì)的基于AVR微控制器多CPU共享高精度時(shí)鐘系統(tǒng)針對(duì)以上技術(shù)的發(fā)展和需求，提出在嵌入式裝置下，高精度、高分辨率實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊化設(shè)計(jì)思想，把系統(tǒng)的時(shí)鐘放在一個(gè)廉價(jià)的高速微控制器上實(shí)現(xiàn)，由它來(lái)維護(hù)一個(gè)分辨率為30.517 5 μs的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，同時(shí)把與GPS所有的對(duì)時(shí)方式集中設(shè)計(jì)到該模塊中，為其他CPU提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，由SPI給各個(gè)CPU提供統(tǒng)一的時(shí)鐘，同時(shí)提供一個(gè)I2C接口，主CPU可修改模塊上的時(shí)鐘芯片,從而滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)錄波裝置或其嵌入式裝置高精度、高分辨率的時(shí)鐘要求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用ATMEL公司AVR 8位微控制器ATmega16，該控制器具備低功耗、易用性、高集成性、硬件資源豐富和高性價(jià)比等特點(diǎn)[1]。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

ATmega16的T/C的輸入捕捉單元可用來(lái)捕獲外部事件，并為其賦予時(shí)間標(biāo)記以說(shuō)明此事件發(fā)生的時(shí)刻。IRIGB信號(hào)接入主控制器的ICP引腳，就可以測(cè)量碼元寬度，解析B碼信息。本設(shè)計(jì)選用DS3232作為系統(tǒng)基礎(chǔ)時(shí)間，該芯片有32 kHz的溫補(bǔ)晶振，能提供穩(wěn)定精確的參考時(shí)鐘，時(shí)鐘精度為±3.5 ppm，內(nèi)置測(cè)溫模塊。兩線串行接口TWI 總線[2]和工作于主機(jī)模式的串行接口SPI總線于電力系統(tǒng)故障錄波CPU連接，可同時(shí)為2個(gè)電力系統(tǒng)故障錄波CPU提供UTC時(shí)標(biāo)，并接收電力系統(tǒng)故障錄波CPU的各種命令。本設(shè)計(jì)以DS3232的32 kHz的信號(hào)為節(jié)拍，維護(hù)一個(gè)分辨率為30.517 5 μs的軟時(shí)鐘，該軟時(shí)鐘24小時(shí)守時(shí)誤差不大于200 ms，為錄波CPU提供高精度、高分辨率、高穩(wěn)定的時(shí)標(biāo)，減少電力系統(tǒng)故障錄波CPU的工作負(fù)荷。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理圖如圖2所示，主要由電源、時(shí)鐘、B碼和CPU四部分組成。

圖2 系統(tǒng)原理圖

圖2 系統(tǒng)原理圖(續(xù))

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)軟件主要由三大模塊組成，分別是外中斷服務(wù)程序模塊、主循環(huán)模塊和ICP中斷服務(wù)程序模塊。

2.1 外中斷服務(wù)程序模塊

外中斷以DS3232的32 kHz方波信號(hào)為中斷請(qǐng)求信號(hào)，維護(hù)UTC格式的軟時(shí)鐘，每次中斷軟時(shí)鐘量加30 517 ns，并且將當(dāng)前時(shí)標(biāo)、B碼中的質(zhì)量狀態(tài)、校驗(yàn)位、潤(rùn)秒等信息通過(guò)SPI總線發(fā)給兩個(gè)錄波CPU。外中斷服務(wù)程序流程圖如圖3所示。

圖3 外中斷服務(wù)程序流程圖

2.2 主程序模塊

主程序模塊完成主控制器硬件資源的初始化，讀取DS3232的時(shí)間信息并轉(zhuǎn)換成UTC格式，在主循環(huán)中，每次查詢I2C控制器的狀態(tài)[3]，當(dāng)錄波CPU通過(guò)I2C發(fā)出各種命令時(shí)，主控制器就可獲取，并解析、響應(yīng)命令，實(shí)現(xiàn)設(shè)置DS3232、溫度采集、電源電壓采集。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

2.3 ICP中斷服務(wù)程序模塊

ICP中斷服務(wù)程序模塊完成B碼采集和碼元解析，從B碼中提取出年、月、日、時(shí)、分、秒信息和秒的起始位置，并以此修改軟時(shí)鐘信息，實(shí)現(xiàn)軟時(shí)鐘與GPS的同步。ICP中斷服務(wù)程序流程圖如圖5所示。

圖5 ICP中斷服務(wù)程序流程圖

結(jié) 語(yǔ)

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謝成(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用；蔣健(副教授)，主要研究方向?yàn)楣I(yè)控制系統(tǒng)。

High-precisionReal-timeClockSystemSharedByMuti-CPUBasedonAVRMicrocontroller

FuGuoxin,JiangXiaoliang

(Guodian Nanjing Automation Co.,Ltd.,Nanjing 210003,China)

In the paper,a high-precision,accuracy,stable real-time clock system is designed based on AVR microcontroller.Muti-CPU can share time by the high speed SPI.The hardware design and software flow of the clock system are given.This design has been applied in the power system fault recorder and it is feasible and useful.

AVR microcontroller;SPI bus;TWI bus;IRIGB code

TP3

A

2017-07-14)

(責(zé)任編輯：楊迪娜 收稿日期：2017-06-12)