CN103092062A - 用于实时时钟芯片的精度调节方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电气设备领域，具体为用于实时时钟芯片的精度调节方法及系统，能够有效提高实时时钟芯片的走时精度。用于实时时钟芯片的精度调节方法包括：所述实时时钟芯片与频率为32.768kHz的石英晶体连接；预先确定所述石英晶体的实际频率与环境温度的对应关系；该方法还包括：获取当前的环境温度；根据确定的所述对应关系、以及获取的所述当前的环境温度，确定所述石英晶体的实际频率；根据所述石英晶体的实际频率以及石英晶体的标准频率，获得频率误差值；根据所述频率误差值，调节所述石英晶体的频率。

Description

用于实时时钟芯片的精度调节方法及系统
技术领域
本发明涉及电气设备领域，尤其涉及用于实时时钟芯片的精度调节方法及系统。
背景技术
实时时钟芯片（RTC）广泛应用在电气设备（例如各种智能终端，包括：智能电表，考勤机，精密时钟，等）中，用于为电气设备提供时间信息；RTC应用在上述电气设备中时，可提供时钟、日历、闹钟等功能。
RTC的工作电流较小，且自身携带有工作电池；当RTC未检测到电气设备的工作电压信号时（即电气设备关机时），RTC依靠自身的工作电池连续运行（即连续走时），当RTC检测到电气设备的工作电压信号时（即电气设备开机时），RTC根据当前运行的时间为电气设备提供初始化时间信息，进而持续为电气设备提供稳定的走时。
因为RTC是通过连接的频率为32.768kHz的石英晶体为其提供走时频率的，该石英晶体按照32.768kHz的频率向RTC发送脉冲信号，进而触发RTC进行走时；然而，石英晶体的频率随着环境温度的变化而变化，因此，在非恒温环境下，石英晶体的频率经常变化，也就使得RTC的走时频率不稳定，进而导致RTC的走时精度较差，一般每个月误差几分钟。然而，随着电气设备的发展，其对RTC的走时精度的要求越来越高，每个月几分钟的误差已经不能满足当前的精度要求；而且目前也不存在对RTC的走时精度进行调节的方法。
发明内容
本发明提出了用于实时时钟芯片的精度调节方法及系统，能够有效提高实时时钟芯片（RTC）的走时精度。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
用于实时时钟芯片的精度调节方法，所述实时时钟芯片与频率为32.768kHz的石英晶体连接；预先确定所述石英晶体的实际频率与环境温度的对应关系；
该方法还包括：
获取当前的环境温度；
根据确定的所述对应关系、以及获取的所述当前的环境温度，确定所述石英晶体的实际频率；
根据所述石英晶体的实际频率以及石英晶体的标准频率，获得频率误差值；
根据所述频率误差值，调节所述石英晶体的频率。
优选地，所述对应关系为石英晶体的实际频率与环境温度的曲线函数；
所述对应关系的确定，包括：
针对每一种当前的环境温度，测得所述石英晶体的实际频率；
根据所有当前的环境温度以及对应的所述实际频率，拟合得到所述曲线函数。
优选地，所述实际频率的测得包括：
对所述实时时钟芯片输出秒信号的频率进行测量，得到所述实际频率。
优选地，该方法进一步包括：在未检测到电气设备的工作电压信号的情况下，进入休眠状态；
在所述获取当前的环境温度之前，该方法进一步包括：若接收到所述实时时钟芯片发送的唤醒脉冲信号，则进入工作状态，进而执行所述获取当前的环境温度的步骤；在所述工作状态下，若接收到所述实时时钟芯片发送的休眠指令，则进入所述休眠状态。
优选地，所述实时时钟芯片每隔3分钟发送一个所述唤醒脉冲信号。
优选地，所述调节所述石英晶体的频率，包括：
根据所述频率误差值，向所述实时时钟芯片发送频率调节命令；
所述实时时钟芯片根据所述频率调节命令，调节所述石英晶体的频率。
本发明还提供了用于实时时钟芯片的精度调节系统，包括：实时时钟芯片，频率为32.768kHz的石英晶体，单片机；所述实时时钟芯片分别与所述石英晶体以及单片机连接；
所述单片机，用于预先确定所述石英晶体的实际频率与环境温度的对应关系；获取当前的环境温度，并根据确定的所述对应关系、以及获取的所述当前的环境温度，确定所述石英晶体的实际频率；根据所述石英晶体的实际频率以及石英晶体的标准频率，获得频率误差值；并根据所述频率误差值，调节所述石英晶体的频率。
优选地，
该系统还包括：该系统还包括：温度传感器，用于测得所述当前的环境温度并输送至所述单片机；频率测定装置，用于针对每一种所述当前的环境温度，测得所述石英晶体的实际频率，并将所述实际频率输送至单片机；
所述单片机包括：拟合模块，用于根据接收到的所有当前环境温度以及对应的所述实际频率，拟合得到石英晶体的实际频率与环境温度的曲线函数；存储模块，用于保存所述曲线函数。
优选地，所述频率测定装置为频率计数器，该频率计数器用于对所述实时时钟芯片输出的秒信号的频率进行测量，得到所述实际频率。
优选地，所述单片机还包括状态转换模块，用于在未检测到电气设备的工作电压信号时，控制单片机进入休眠状态；若接收到所述实时时钟芯片发送的唤醒脉冲信号，控制单片机进入工作状态；在所述工作状态下，若接收到所述实时时钟芯片发送的休眠指令，则控制单片机进入所述休眠状态。
与现有技术相比，本发明提供的用于实时时钟芯片的精度调节方法及系统，其中，实时时钟芯片与频率为32.768kHz的石英晶体连接；首先，预先确定石英晶体的实际频率与环境温度的对应关系；下面根据确定的对应关系对非恒温环境下石英晶体的频率进行调节，具体地，获取当前的环境温度，并根据预先确定的所述对应关系、以及获取的当前的环境温度，确定石英晶体的实际频率；进而根据该实际频率以及石英晶体的标准频率，得到频率误差值，该标准频率为32.768kHz；进而根据该频率误差值，调节石英晶体的频率，使石英晶体当前的频率达到32.768kHz这个标准值；这样，在非恒温环境下，通过计算得到当前的环境温度下石英晶体的频率误差值，并根据该频率误差值调节石英晶体的频率，使其接近标准值，从而使得非恒温环境中每个时刻石英晶体的频率均接近于32.768kHz，进而使得在每一种当前环境温度下石英晶体的频率趋于稳定值，这就保障了实时时钟芯片的走时精度较为稳定，有效提高了实时时钟芯片的走时精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的一种用于实时时钟芯片的精度调节方法的流程图；
图2本发明实施例二提供的另一种用于实时时钟芯片的精度调节方法的流程图；
图3为本发明实施例二提供的精度调节方法的原理框图；
图4为本发明实施例三提供的一种用于实时时钟芯片的精度调节系统的模块图；
图5为本发明实施例四提供的另一种用于实时时钟芯片的精度调节系统的模块图；
图6为本发明实施例四提供的精度调节系统的一种优选物理结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明实施例一提供了一种用于实时时钟芯片的精度调节方法，其中，所述实时时钟芯片与频率为32.768kHz的石英晶体连接，石英晶体主要用来为实时时钟芯片提供走时的频率信号，石英晶体频率的稳定性直接影响到实时时钟芯片的走时精度；参见图1，该方法包括：
步骤S101：预先确定所述石英晶体的实际频率与环境温度的对应关系；
步骤S102：获取当前的环境温度；
步骤S103：根据确定的所述对应关系、以及获取的所述当前的环境温度，确定所述石英晶体的实际频率；
步骤S104：根据所述石英晶体的实际频率以及石英晶体的标准频率，获得频率误差值；
步骤S105：根据所述频率误差值，调节所述石英晶体的频率。
本发明实施例一提供的用于实时时钟芯片的精度调节方法，其中，实时时钟芯片与频率为32.768kHz的石英晶体连接；首先，预先确定石英晶体的实际频率与环境温度的对应关系；下面根据确定的对应关系对非恒温环境下石英晶体的频率进行调节，具体地，获取当前的环境温度，并根据预先确定的所述对应关系、以及获取的当前的环境温度，确定石英晶体的实际频率；进而根据该实际频率以及石英晶体的标准频率，得到频率误差值，该标准频率为32.768kHz；进而根据该频率误差值，调节石英晶体的频率，使石英晶体当前的频率达到32.768kHz这个标准值；这样，在非恒温环境下，通过计算得到当前的环境温度下石英晶体的频率误差值，并根据该频率误差值调节石英晶体的频率，使其接近标准值，从而使得非恒温环境中每个时刻石英晶体的频率均接近于32.768kHz，进而使得在每一种当前环境温度下石英晶体的频率趋于稳定值，这就保障了实时时钟芯片的走时精度较为稳定，有效提高了实时时钟芯片的走时精度。
为了进一步说明上述实施例一提供的用于实时时钟芯片的精度调节方法所带来的较佳效果，下面给出该调节方法的一种优选实施方式，请参见实施例二。
实施例二
本发明实施例二提供了另一种用于实时时钟芯片的精度调节方法，该方法中，采用STM32F103T单片机实现上述实施例一中的操作，RTC采用ISL1208，采用分辨率为0.03125°C、静态电流为1μA的温度传感器ADT7301测得环境温度并输送至单片机，以及频率为32.768kHz的石英晶体为实时时钟芯片提供走时频率的脉冲信号；其中，参见图3，单片机301与温度传感器302通过串行外设接口（SPI）连接，RTC303外接32.768kHz的石英晶体304，RTC还通过集成电路总线（I2C）连接单片机301；此外，RTC还通过输出引脚对外连接频率计数器，用来向频率计数器输出秒信号；RTC还通过I2C对外连接数字设备，用于输出时间信息；
该方法主要包括两个阶段：产品制造阶段和产品使用阶段，在产品制造阶段需要确定石英晶体的实际频率与环境温度的对应关系，在产品使用阶段需要根据对应关系以及获取的当前的环境温度对石英晶体的频率进行调节；其中，对应关系在产品制造阶段确定后则保存在单片机中，在产品使用阶段该对应关系不再变化；
具体地，参见图2，该方法包括：
步骤201：在某一当前的环境温度下，对实时时钟芯片输出秒信号的频率进行测量，得到石英晶体的实际频率；
优选地，可以在RTC外连接频率计数器，在每一种当前的环境温度下，均通过频率计数器测得RTC输出的秒脉冲的频率，进而得到石英晶体的实际频率，从而得到非恒温环境中各种当前的环境温度下石英晶体的实际频率的一组数据；
步骤202：将上述测得的石英晶体的实际频率以及对应的当前的环境温度输送至单片机；
步骤203：单片机将接收到的所有实际频率以及对应的当前的环境温度，按照温度由低到高的顺序保存到数据表中；
步骤204：单片机将所述数据表中的数据拟合成以频率和温度为参数的曲线函数，并存储至掉电保存存储器（E2PROM）中；
上述步骤201-步骤204是在产品制造阶段完成的，实现了预先确定石英晶体的实际频率与环境温度的对应关系，其中，该对应关系即为石英晶体的实际频率与当前的环境温度的曲线函数；
下面则需要应用该曲线函数对非恒温环境下石英晶体的频率进行调节；
步骤205：若未检测到电气设备的工作电压信号，单片机进入休眠状态；
也就是说，当电气设备关机，RTC依靠自身的工作电池进行走时的情况下，单片机一直处于休眠状态，不进行温度测定、频率误差计算以及频率调节等的操作；
步骤206：单片机判断是否接收到RTC发送的唤醒脉冲信号，是则进入工作状态；
其中，RTC每隔3分钟向单片机发送一个唤醒脉冲信号，以将单片机由休眠状态转换至工作状态；
在电池供电时，单片机绝大部分时间处于休眠状态，在被实时时钟芯片输出的周期性唤醒脉冲唤醒后，进入工作状态，进行下述步骤中的温度测量、频率补偿运算和补偿操作，保持RTC的准确运行；工作状态下，实时时钟对外输出秒信号，外部数字设备可通过I2C总线读取实时时钟的时间信息，和相关的控制操作；
单片机在休眠状态下只能接收I2C传输的唤醒命令，不能接收其它命令，唤醒后立即检查工作电压，具体处理包括以下两种情况：
1、若工作电压正常就进入工作状态并保持，直到工作电压为0或收到I2C数据总线发来的休眠指令；也就是说，在工作状态下，完成上述温度测量、频率补偿运算和补偿操作后，若接收到实时时钟芯片发送的休眠指令，则又进入休眠状态，进一步降低功耗；
2、若工作电压为0，则立即回到休眠状态；
步骤207：单片机向温度传感器发送温度测量命令；
步骤208：温度传感器在接收到单片机发送的温度测量命令后，测得当前的环境温度，并发送至单片机；
步骤209：单片机根据接收到的当前的环境温度以及曲线函数，运算得到石英晶体的实际频率，进而由该实际频率与32.768kHz这个标准频率之间的差值得到频率误差值；
具体地，上述曲线函数是以频率和温度作为参数的函数，将获取的当前的环境温度作为参数值带入曲线函数中，则可以计算得到当前的环境温度下石英晶体的实际频率，该实际频率即为石英晶体频率的真值；并由该真值与32.768kHz这一标准值计算得到频率误差值；
步骤210：单片机根据该频率误差值生成频率调节命令，并将该频率调节命令输送至RTC；
步骤211：RTC根据接收到的频率调节命令，调节石英晶体的频率；调节完成后，若未检测到工作电压，则单片机进入休眠状态。
其中，RTC根据频率调节命令中携带的频率误差值，将石英晶体的频率调节至32.768kHz，当然在调节过程中会存在难以避免的较小误差，但是仍然使得在非恒温环境下石英晶体的频率都趋向于32.768kHz，也就使得石英晶体的频率趋向于稳定值；进而保障了RTC的走时频率趋向于稳定值，有效提高了RTC的走时精度；
而且，当RTC应用在各种智能终端设备上时，例如智能电表、考勤机、精密时钟等，经过实际电路测试，在0℃～50℃的环境温度范围内，RTC的走时精度可达到一个月仅误差1秒；
此外，本实施例中，单片机还采用了降低功耗的处理方法；具体地，单片机在接收到RTC发送的唤醒脉冲信号后才进行温度测定、频率误差计算以及频率调节等操作，而在未检测到电气设备的工作电压信号时，单片机进入休眠状态；例如在工作电压为3.3V的情况下，休眠状态时单片机的工作电流为1μA，工作状态时单片机的工作电流为1mA，一般工作状态的持续时间为0.2秒，这样在每个唤醒周期内单片机的平均工作电流为1.11μA；因此，在精度调节过程中，主要有三个装置需要消耗电能，其中，RTC的电流为1μA、单片机的平均工作电流为1.11μA、温度传感器的电流为1μA，这三部分的电能消耗则实现了精度的调节过程；由上可知，精度调节过程中工作电流较小，因此功耗较小，节约了成本；
而且，在频率调节过程中，RTC还可以通过I2C对外输出时间信息，从而用户可根据输出的时间判断出时间的走时精度，以方便用户对整个精度调节的准确性进行评估；当然，RTC本身还可以通过I2C接收外部的时间设置信息，以对当前运行的时间进行调整。
实施例三
针对实施例一，本发明实施例三提供了一种用于实时时钟芯片的精度调节系统，具体地，参见图4，该系统包括：
实时时钟芯片1，频率为32.768kHz的石英晶体2，单片机3；所述实时时钟芯片1分别与所述石英晶体2以及单片机3连接；
所述单片机3，用于预先确定所述石英晶体2的实际频率与环境温度的对应关系；获取当前的环境温度，确定所述石英晶体的实际频率；根据所述石英晶体的实际频率以及石英晶体的标准频率，获得频率误差值；并根据所述频率误差值，调节所述石英晶体2的频率。
实施例四
针对实施例二，本发明实施例四提供了另一种用于实时时钟芯片的精度调节系统，该系统中，采用STM32F103T单片机实现精度调节，RTC采用ISL1208，温度测量装置采用分辨率为0.03125°C、静态电流为1μA的温度传感器ADT7301，以及频率为32.768kHz的石英晶体；图6给出了该系统的物理结构示意图，其中，601-STM32F103T，602-32.768kHz晶体，603-ISL1208，604-ADT7301，四个装置集成在印刷电路板上；
具体地，参见图5，该系统包括：频率测定装置51，单片机52，温度传感器53，RTC54，石英晶体55；
频率测定装置51，与单片机53连接，用于在某一当前的环境温度下，对实时时钟芯片输出秒信号的频率进行测量，得到石英晶体的实际频率；并将上述测得的石英晶体的实际频率以及对应的当前的环境温度输送至单片机53；优选地，该频率测定装置51为频率计数器，该频率计数器是一种通用的频率、周期、时差测量仪器，如Agilent的53131A、53132等；
温度传感器52，与单片机53连接，用于测定当前的环境温度并发送至单片机53；
单片机53，包括：接口531，数据表532，拟合模块533，存储器534，状态转换模块535，频率误差模块536，频率调节命令模块537；具体地，
接口531，用于接收频率测定装置51发送的所有实际频率以及温度传感器52发送的与该实际频率对应的当前的环境温度；
数据表532，用于按照温度由低到高的顺序保存所有实际频率以及对应的当前的环境温度；
拟合模块533，用于将所述数据表中的数据拟合成以频率和温度为参数的曲线函数；
存储器534，用于存储所述曲线函数；优选地，该存储器为掉电保存存储器（E2PROM）；
状态转换模块535，用于在未检测到电气设备的工作电压信号时，控制单片机进入休眠状态；若接收到RTC发送的唤醒脉冲信号，则控制单片机进入工作状态；在所述工作状态下，若接收到RTC发送的休眠指令，则控制单片机进入休眠状态；
相应地，接口531进一步用于在接收到唤醒脉冲信号后，向温度传感器52发送温度测量命令；
进而，温度传感器52，进一步用于在接收到单片机53发送的温度测量命令后，测得当前环境温度，并发送至单片机53；
相应地，单片机53，还包括：
频率误差模块536，用于根据接收到的当前的环境温度以及曲线函数，运算得到石英晶体的实际频率，进而由该实际频率与32.768kHz这个标准频率之间的差值得到频率误差值；
频率调节命令模块537，用于根据该频率误差值生成频率调节命令，并将该频率调节命令输送至RTC54；
RTC54，分别与单片机53和石英晶体55连接，包括：秒信号输出模块541，唤醒脉冲信号模块542，频率调节模块543；
秒信号输出模块541，用于向频率测定装置51输出标准的秒脉冲信号，以供频率测定装置51对RTC输出秒脉冲信号的频率进行测量，得到石英晶体的实际频率；
唤醒脉冲信号模块542，用于定时生成唤醒脉冲信号，并发送至单片机53；优选地，唤醒脉冲信号的生成间隔时间为3分钟；
频率调节模块543，用于接收单片机发送的频率调节命令，并根据该频率调节命令中携带的频率误差值，调节石英晶体55的频率；
RTC还包括：时间信息输出模块544，时间设置模块545；
时间信息输出模块544，用于通过I2C对外输出时间信息；
进而，用户可根据输出的时间判断出时间的走时精度，以方便用户对整个精度调节的准确性进行评估；
时间设置模块545，用于通过I2C接收外部的时间设置信息，以对当前运行的时间进行调整。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.用于实时时钟芯片的精度调节方法，其特征在于，所述实时时钟芯片与频率为32.768kHz的石英晶体连接；预先确定所述石英晶体的实际频率与环境温度的对应关系；
该方法还包括：
获取当前的环境温度；
根据确定的所述对应关系、以及获取的所述当前的环境温度，确定所述石英晶体的实际频率；
根据所述石英晶体的实际频率以及石英晶体的标准频率，获得频率误差值；
根据所述频率误差值，调节所述石英晶体的频率。
2.如权利要求1所述的用于实时时钟芯片的精度调节方法，其特征在于，所述对应关系为石英晶体的实际频率与环境温度的曲线函数；
所述对应关系的确定，包括：
针对每一种当前的环境温度，测得所述石英晶体的实际频率；
根据所有当前的环境温度以及对应的所述实际频率，拟合得到所述曲线函数。
3.如权利要求2所述的用于实时时钟芯片的精度调节方法，其特征在于，所述实际频率的测得包括：
对所述实时时钟芯片输出秒信号的频率进行测量，得到所述实际频率。
4.如权利要求1所述的用于实时时钟芯片的精度调节方法，其特征在于，该方法进一步包括：在未检测到电气设备的工作电压信号的情况下，进入休眠状态；
在所述获取当前的环境温度之前，该方法进一步包括：若接收到所述实时时钟芯片发送的唤醒脉冲信号，则进入工作状态，进而执行所述获取当前的环境温度的步骤；在所述工作状态下，若接收到所述实时时钟芯片发送的休眠指令，则进入所述休眠状态。
5.如权利要求4所述的用于实时时钟芯片的精度调节方法，其特征在于，所述实时时钟芯片每隔3分钟发送一个所述唤醒脉冲信号。
6.如权利要求1-5任意一项所述的用于实时时钟芯片的精度调节方法，其特征在于，所述调节所述石英晶体的频率，包括：
根据所述频率误差值，向所述实时时钟芯片发送频率调节命令；
所述实时时钟芯片根据所述频率调节命令，调节所述石英晶体的频率。
7.用于实时时钟芯片的精度调节系统，其特征在于，包括：实时时钟芯片，频率为32.768kHz的石英晶体，单片机；所述实时时钟芯片分别与所述石英晶体以及单片机连接；
所述单片机，用于预先确定所述石英晶体的实际频率与环境温度的对应关系；获取当前的环境温度，并根据确定的所述对应关系、以及获取的所述当前的环境温度，确定所述石英晶体的实际频率；根据所述石英晶体的实际频率以及石英晶体的标准频率，获得频率误差值；并根据所述频率误差值，调节所述石英晶体的频率。
8.如权利要求7所述的用于实时时钟芯片的精度调节系统，其特征在于，
该系统还包括：温度传感器，用于测得所述当前的环境温度并输送至所述单片机；频率测定装置，用于针对每一种所述当前的环境温度，测得所述石英晶体的实际频率，并将所述实际频率输送至单片机；
所述单片机包括：拟合模块，用于根据接收到的所有当前环境温度以及对应的所述实际频率，拟合得到石英晶体的实际频率与环境温度的曲线函数；存储模块，用于保存所述曲线函数。
9.如权利要求8所述的用于实时时钟芯片的精度调节系统，其特征在于，所述频率测定装置为频率计数器，该频率计数器用于对所述实时时钟芯片输出的秒信号的频率进行测量，得到所述实际频率。
10.如权利要求8所述的用于实时时钟芯片的精度调节系统，其特征在于，所述单片机还包括状态转换模块，用于在未检测到电气设备的工作电压信号时，控制单片机进入休眠状态；若接收到所述实时时钟芯片发送的唤醒脉冲信号，控制单片机进入工作状态；在所述工作状态下，若接收到所述实时时钟芯片发送的休眠指令，则控制单片机进入所述休眠状态。
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