单片机系统实时时钟日差补偿的算法设计

吴天强 叶敏 朱剑 潘超

摘 要：根据实时时钟运行的日差大小，在计时控制程序中，设置自动补偿并校正参数的功能，使系统的计时运行误差，在连续较长的一段时间内，保持在较小的波动范围，以减少计时的累积误差，提高计时精度。该算法适用于低成本的单片机或嵌入式系统，使用软件控制自动补偿计时日差，代替人工校正过程。其缺点是不同时钟芯片的计时日差，各不相同，首次运行时，需要与标准计时进行校对，以确定其合适的补偿量。

关键词：单片机;实时时钟;日差;算法设计

1 问题提出

实时时钟（RTC）也称为时钟芯片，是一种广泛应用的电子器件，用于提供精确的实时时间，或者为电子系统提供时间基准。大多数时钟芯片，均采用精度较高的晶体振荡器作为时钟源，因此，晶振的频率误差大小，决定了计时系统的性能。

时钟芯片和晶振组成的计时系统，短期内有较高的精度，长期运行，因累积误差，导致其计时误差越来越大。例如，独立应用实时时钟的各种电子产品，运行一段时间后，与标准时间会有较大差异，需要人工手动调整计时参数，以适合计时需求。

单片机或嵌入式芯片组成的实时时钟系统，若在控制程序中，设置计时自动补偿功能，用以代替人工手动校正，能够减少计时系统的累积误差，达到优化产品性能目的。本文将从晶振的参数、补偿方法、算法设计等三个方面说明实时时钟计时补偿的方法。

2 晶振的参数

石英晶体振荡器（以下简称晶振）是利用石英晶体的压电效应制成。晶振可以分为普通晶振、温补晶振和恒温晶振。不同类型的晶振，其技术指标有较大差异。文献[1]指出晶振的性能参数有开机特性（10-6～10-11）、日频率波动（10-6～10-11）、日老化率（10-6～10-11）、頻率复现率（10-6～10-11）、频率准确度（10-5～10-10）和1秒频率稳定度（10-8～10-12）。

从上述指标系数中可以看出，符合规格要求的晶振，其1秒频率稳定度相对较高，而频率准确度的指标系数则相对较低，故频率准确度是判别晶振好环的一个重要因素。另外，由于温漂影响，晶振的频率准确度也与运行环境温度相关，因此，温度补偿，是提高晶振频率准确度的有效方法。

3 补偿方法

3.1 温度补偿

温度补偿是为消除温度变化引起晶振的频率误差。恒温晶振使用具有单层或双层的恒温装置，以及对应的温控电路，使晶振工作过程温度尽可能保持不变，减少温度变化对频率稳定度的影响。

温补晶振则是把温度变化对振荡所产生的频率误差进行补偿，以提高晶振的频率稳定度。“在常温下（25℃），实时时钟精度约为±20ppm，针对晶体振荡器的温漂特性，设计了一种分频链的频率校准算法，校准精度达±0.25ppm”[2]。集成温补晶振具有更宽温度范围的工作性能，“其输出信号的频率稳定性可在宽温范围（-30℃～+85℃），达到±1×10-6”[3]。以上案例表明，温补晶振能有效提高频率稳定度的指标系数。

温补晶振和恒温晶振均通过辅助电路或装置，来减小或消除温度的影响，提高晶振的频率稳定度，但是也不能完全消除频率误差。获得更高精度时钟的另一种方法，是采用同步时钟。

3.2 同步时钟

同步时钟精度高，一般用于对时钟有严格要求的系统。常用的同步时钟有卫星同步时钟和网络同步时钟。

卫星时钟同步，是利用晶振短期计时精度高的特点，与卫星时钟进行同步，可以得到高性能价格比的高精度时钟发生装置[4]。“将GPS信号的长期稳定度和准确度与晶振的短期稳定度相结合，大大提高了频率源的性能”[5]，若“使用全球定位系统（GPS）接收机的整秒脉冲信号和串口时间信息，作为高精度的时间源，同步精度优于500μs”[6]。卫星“时间同步在航天测控、卫星遥感、军事靶场、视觉测量、电力运输等领域有重要意义”[6]！

网络时钟同步，也是一种获得高精度时钟的方法。基于“IEEE1588高精度时间同步算法，通过晶振补偿和OffsetTime滤波，达到了微秒级高精度同步系统的要求，适用于机电控制、通信等领域”[7]。

除了上述的温度补偿、同步时钟以外，在时钟同步精度要求不高的场合，也可用采用日差补偿的方法，来提高时钟芯片的计时精度。

3.3 日差补偿

计时器一天的走时误差，称为日差。由于时钟芯片所使用的晶振，存在频率误差，因而独立使用时钟芯片的计时器，一定存在走时误差。对于时钟同步要求不高的场合，存在走时偏差的时钟，可以人工校准，也可以由程序自动校正。

如图1实时时钟偏慢补偿示意图所示，将实时时钟与标准时钟进行比较，可以得到补偿量，将此补偿量，向前叠加到实时时钟（加快实时时钟）的计时数据中，可完成实时时钟的偏差调整。若实时时钟偏快，则需要将得到的补偿量，向后叠加到实时时钟（减慢实时时钟）的计时数据，以完成计时校正。

对于以独立时钟芯片的作为计时依据的各种电子产品，可以采用日差补偿的方法，提高计时的准确度。具体实施方法是，经24小时实走，与标准时钟进行比较，得到日差补偿量，在程序中设置对应补偿参数。然后，在实际计时过程中，每天由软件自动校正偏差，减少计时的累积误差，达到优化计时性能目的。

日差测试所需时间较长，应用不方便。如果计时系统显示最小位是秒的产品，可以在首次运行时，由用户根据实际运行天数的走时误差，估算出日差补偿量，并进行参数设置即可。实时时钟的日差补偿量，也可以通过测量瞬时日差得到。

4 算法设计

单片机系统实时时钟日差补偿，如图2日差自动校正流程图所示，根据时钟校正的时刻点不同，可以分为（a）、（b）两种情况。程序设计中，这两种情况都需要设定一个“标记位”的变量，其作用是记录能否进行日差补偿的状态，防止程序循环执行中，多次连续、重复进行日差补偿，而使计时出错。

以图2日差自动校正流程图（a）为例，说明“标记位”变量的作用。程序运行时，“标记位”变量初始状态被置1，以及计时到达“时间点1”的时刻，“标记位”变量也置1，置1表示允许进行日差补偿。计时到了“时间点2”的时刻，并且“标记位”变量是1时，则由程序自动将设置好的补偿量，向前（加快）或向后（减慢）叠加到当前时钟数据上，得到新的时钟数值，同时将新的时钟数值，写入实时时钟芯片，完成以上调整后，将“标记位”变量置0，以确保每天的日差补偿有且只有一次。

在图2时钟校正流程图（a）和（b）中，“时间点1”和“时间点2”之间的时间间隔值（以下称间隔值），应该要大于可能设定的补偿量，否则，在自动调整时钟过程中，向前（加快）或向后（减慢）调整后的时钟值，有可能会跳至“时间点1”和“时间点2”的时刻所界定的时钟区间之外，使程序运行出错。因此，以下两种可能，在程序编程中，应该避免发生。

第一种情况，如图2日差自动校正流程图（a）所示，在“时间点2”时刻，自动向后（减慢）调整时钟数值，完成调整后，“标记位”变量被置0。若补偿量超过“间隔值”，必定使新时钟的数值，指向“时间点1”前的某一个时刻，使“标记位”置1的程序又被触发，导致程序反复进行日差补偿，进入死循环。

第二种情况，如图2日差自动校正流程图（b）所示，若在“时间点1”时刻，自动向前（加快）调整时钟数值时，补偿量大到超过“时间点2”的时刻，则程序会跳过“标记位”变量置1的执行流程，使日差补偿动作，只执行一次，程序失去计时补偿功能。

因此，程序流程中的“间隔值”，必须大于日差补偿量，且要留有一定裕量。非专用型的液晶数字秒表，其瞬时日差为±1.5S/d[8]，参考此数据值，程序中的补偿量范围，可以限值在60S以內，间隔值则应大于60S。对于某些家用产品上的独立时钟，进行日差自动补偿调整的时刻，宜选在凌晨两、三点钟较为合适。

5 仿真结果

图3是PROTEUS日差补偿仿真图，仿真时钟芯片为DS1302，截图中的LCD显示，当前设定的日差补偿量为+2秒/天，“+”表示是加快时钟的补偿量。对于计时最小单位是秒的时钟芯片，若遇到实际走时日差不足1S时，应增加天数，直至误差达到1秒以上，才进行时钟校正。对于计时显示最小单位是分钟的产品，也可以考虑将月差作为自动调整的周期。将“标记位”变量的置、复位控制，改成日期计数功能，可以实现对于任意周期天数的计时偏差进行补偿。

6 结语

上述提出的日差补偿算法，是对独立时钟芯片的计时系统，在实际应用环境，综合运行一段时间后产生的误差，进行补偿的方法，适用于低成本的单片机和嵌入式系统，由软件程序设置自动补偿功能，代替人工校准过程，在不提高产品器件成本的前提下，优化计时性能，提高产品的用户满意度。其缺点是不同器件的计时误差，各不相同，首次运行时，需要与标准计时进行比对，以确定其合适的补偿量。

参考文献：

[1]JJG180-2002，电子测量仪器内石英晶体振荡器检定规程[S].北京：中国计量出版社，2003.

[2]李根岱.可校准实时时钟芯片的研究和设计[D].华中科技大学，2007.

[3]江玉洁，陈辰，等.一种全集成化的温补晶体振荡器[J].宇航计测技术，2003（03）：52-57.

[4]曾祥君，尹项根，等.GPS时钟在线监测与修正方法[J].中国电机工程学报，2002（12）：42-47.

[5]马彦青.恒温晶振OCXO自适应驯服保持技术研究[D].西安电子科技大学，2011.

[6]王向军，张亚元，等.基于GPS和高精度实时时钟的时间同步方法[J].纳米技术与精密工程，2016，14（01）：66-70.

[7]桂本烜，冯冬芹，等.IEEE1588的高精度时间同步算法的分析与实现[J].工业仪表与自动化装置，2006（04）：20-23.

[8]GB/T22778-2008，液晶数字式石英秒表[S].北京：中国标准出版社，2008.

基金项目：2018年度高校访问工程师“校企合作项目”（项目编号：FG2018242）

作者简介：吴天强（1977-），男，工程硕士，讲师，从事电子电路教学研究工作。