CN103226376A - 一种高精度实时时钟芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度实时时钟芯片，包括时钟计时模块、I2C接口模块、报警与周期性中断模块、电源管理模块和数字温度补偿晶体振荡器：所述时钟计时模块：包括秒寄存器、分寄存器、小时寄存器、星期寄存器、日寄存器、月寄存器、年寄存器、方波输出控制寄存器，所述小时寄存器、所述日寄存器、所述月寄存器和所述年寄存器连接有组合逻辑电路；所述数字温度补偿晶体振荡器：包括依次连接的温度传感器、模拟数字转换器、存储单元、电容阵列和晶体振荡器。本发明可在工业温度范围内对RTC进行修调，可实现自校准，极大提高了RTC的精度，同时解决了宏观电路布线上的很多电磁干扰问题，也节省了主系统的很多I/O资源。

Description

一种高精度实时时钟芯片

技术领域

本发明涉及一种高精度实时时钟芯片。

背景技术

电表是我国电工仪表行业中产能最大的产品，目前中国是世界上最大的电表生产国和出口国，大约每年生产2亿只电表。目前国家正在建设智能电网、其中智能电表是其中重要的环节，电表领域目前已经进入智能电表时代，传统的机械电表已经彻底淘汰。

电表的主要市场为民用电表市场，国家政策是每户一表，民用电表主要是由中国电网公司进行招标采购和安装，中国电网分为国网和南网，其中广东、海南、广西、云南及贵州为南网，其它为国网。

电表是国家的电量计量产品，由于电表长期运行会造成计费不准确的现象，所以国家基本上要求5-8年更换一次电表。电表的采购招标方式由最早的地区招标演变为省级招表，国网从2010年开始采取统一招标的方式进行采购；而南网目前还是采用省级招标的方式。

中国约有4亿户家庭，那么中国民用电表的总容量约为4亿只。按照5-8年的使用寿命，那么每年的需求量大概在6000万只左右。为了建设智能电网，国家电网公司从09年开始对民用电表进行改造，逐步将家用电表全部改造成智能电表，近几年是中国智能电表建设的高峰期，需求量更大，近几年智能电表需求量为7000-8000万只/年。全国电表总更换量和新增量约为4亿只，目前已有1.5亿-1.6亿只电表完成了更换，从今年下半年到2015年还有2.5亿只电表需要更换。

实时时钟（Real-Time Clock，RTC）是一种应用广泛的消费类电子产品，其功能也在设计发展中成长强大，在种类上也多种多样。实时时钟芯片是一种高密度集成的专用时钟集成电路，适合于一切需要微功耗及准确计时的场合，如手机、电视机、复费率电表、高精度时钟、可编程时间控制器、数码相机等等。当前市面上普通的实时时钟精度多在±20ppm（即每月近一分钟的误差）之间，很多情况下无法完成高精度的要求；其主要原因是当前实时时钟大多采用晶体振荡器作为时钟源，然而温度对晶振的精确度有显著影响，晶体振荡器的频温特性是导致RTC精度不高的主要原因。温度补偿晶体振荡器中，对晶体谐振器的频率一温度特性有现有的模拟温度补偿晶体振荡器(TCXO)。模拟温度补偿晶体振荡器(TCXO)用一个变容二极管来控制振荡器最终的频率，利用热敏电阻网络来提供补偿振荡器所需要的温度-电压值，一般可以获得量级的温补晶振，但是这种模拟温度补偿方法的缺点是需要良好线性度的变容二极管及大量很小容差的热敏电阻，而且存在着网络调整的相互干扰，计算元件参数和调试都很困难。

发明内容

本发明目的在于提供一种高精度实时时钟芯片。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种高精度实时时钟芯片，其特征在于：包括时钟计时模块、I2C接口模块、报警与周期性中断模块、电源管理模块和数字温度补偿晶体振荡器：

所述时钟计时模块：包括秒寄存器、分寄存器、小时寄存器、星期寄存器、日寄存器、月寄存器、年寄存器、方波输出控制寄存器，所述小时寄存器、所述日寄存器、所述月寄存器和所述年寄存器连接有组合逻辑电路；

所述I2C接口模块：包括起振电路，所述起振电路依次连接第一分频器、第二分频器、第三分频器、升压电路、第四分频器、第五分频器、第六分频器、第七分频器和第八分频器；

所述报警与周期性中断模块：包括串行时钟接口电路和串行数据接口电路，所述串行时钟接口电路依次连接九进制计数器、移位寄存器的时钟及控制信号、8位移位寄存器和检测读写位，所述串行数据接口电路依次连接检测应答位、所述8位移位寄存器和初始化信号，所述九进制计数器依次连接所述检测应答位和所述初始化信号，所述8位移位寄存器依次连接产生串行输出和输出电路；

所述电源管理模块：包括启动电路、第一电压比较器和第二变压比较器，所述启动电路、第一电压比较器和第二变压比较器均连接逻辑电路；

所述数字温度补偿晶体振荡器：包括依次连接的温度传感器、模拟数字转换器、存储单元、电容阵列和晶体振荡器。

进一步，所述报警与周期性中断模块中的8位移位寄存器依次连接检测片选和所述检测读写位。

本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：

把温度补偿功能和晶体集成到芯片内，并通过自动修调算法实现可自校准的实时时钟芯片，可在工业温度范围内对RTC进行修调，可实现自校准，极大提高了RTC的精度，同时解决了宏观电路布线上的很多电磁干扰问题，也节省了主系统的很多I/O资源。时钟计时模块可以记录并进行秒、分、时、星期、日、月、年的时钟计时功能，可记录2000～2099年的万年历数据，并具有闰年修正功能。报警与周期性中断模块具有分、时、星期的定时报警功能和从/INTA输出周期性中断脉冲。为了预留其他用途，该芯片可将振荡电路输出的标称频率为32.768kHz的方波通过FOUT端口输出；I2C接口模块是是芯片与外界进行通讯的桥梁，完成了诸如数据移位、检测应答信号、数据输出等工作，并且给控制逻辑模块很多用于控制的信号；电源管理模块的功能是在主电源掉电后或不需要主电源工作时可启动备用电源进行供电，维持晶振分频电路和实时时钟电路的正常工作，从而维持时钟走时的连续性，而在备用电源供电的情况下，I2C接口电路失效，外部设备无法对芯片进行读写操作；数字温度补偿晶体振荡器由实时时钟的定时器控制温度传感器，定时采集温度信息，由模拟数字转换器产生量化数据，通过控制逻辑运算查表以修正校准寄存器的值，校准算法通过该值调节晶体振荡器振荡电路中的电容阵列，从而改变晶体振荡器输出的时钟频率，从而对时钟进行校准。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明中时钟计时模块的框图；

图2为本发明中I2C接口模块的框图；

图3为本发明中报警与周期性中断模块的框图；

图4为本发明中电源管理模块的框图；

图5为本发明中数字温度补偿晶体振荡器的框图。

具体实施方式

如图1至图5所示，为本发明一种高精度实时时钟芯片，包括时钟计时模块、I2C接口模块、报警与周期性中断模块、电源管理模块和数字温度补偿晶体振荡器：

所述时钟计时模块：包括秒寄存器、分寄存器、小时寄存器、星期寄存器、日寄存器、月寄存器、年寄存器、方波输出控制寄存器，所述小时寄存器、所述日寄存器、所述月寄存器和所述年寄存器连接有组合逻辑电路。其中组合逻辑电路用于处理日月年的进位问题，能够实现高精度计时，可以记录并进行秒、分、时、星期、日、月、年的时钟计时功能，可记录2000～2099年的万年历数据，并具有闰年修正功能。

所述I2C接口模块：包括起振电路，所述起振电路依次连接第一分频器、第二分频器、第三分频器、升压电路、第四分频器、第五分频器、第六分频器、第七分频器和第八分频器。I2C接口模块是芯片与外界进行通讯的桥梁，完成了诸如数据移位、检测应答信号、数据输出等工作，并且给控制逻辑模块很多用于控制的信号。

所述报警与周期性中断模块：包括串行时钟接口电路和串行数据接口电路，所述串行时钟接口电路依次连接九进制计数器、移位寄存器的时钟及控制信号、8位移位寄存器和检测读写位，所述串行数据接口电路依次连接检测应答位、所述8位移位寄存器和初始化信号，所述九进制计数器依次连接所述检测应答位和所述初始化信号，所述8位移位寄存器依次连接产生串行输出和输出电路；所述报警与周期性中断模块中的8位移位寄存器依次连接检测片选和所述检测读写位。报警与周期性中断模块具有分、时、星期的定时报警功能和从/INTA输出周期性中断脉冲。为了预留其他用途，该芯片可将振荡电路输出的标称频率为32.768kHz的方波通过FOUT端口输出。

所述电源管理模块：包括启动电路、第一电压比较器和第二变压比较器，所述启动电路、第一电压比较器和第二变压比较器均连接逻辑电路。电源管理模块的功能是在主电源掉电后或不需要主电源工作时可启动备用电源进行供电，维持晶振分频电路和实时时钟电路的正常工作，从而维持时钟走时的连续性。而在备用电源供电的情况下，I2C接口电路失效，外部设备无法对芯片进行读写操作。

所述数字温度补偿晶体振荡器：包括依次连接的温度传感器、模拟数字转换器、存储单元、电容阵列和晶体振荡器。由实时时钟的定时器控制温度传感器，定时采集温度信息，由模拟数字转换器产生量化数据，通过控制逻辑运算查表以修正校准寄存器的值，校准算法通过该值调节晶体振荡器振荡电路中的电容阵列，从而改变晶体振荡器输出的时钟频率，从而对时钟进行校准，从而满足高精度的要求。

以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种高精度实时时钟芯片，其特征在于：包括时钟计时模块、I2C接口模块、报警与周期性中断模块、电源管理模块和数字温度补偿晶体振荡器：

所述时钟计时模块：包括秒寄存器、分寄存器、小时寄存器、星期寄存器、日寄存器、月寄存器、年寄存器、方波输出控制寄存器，所述小时寄存器、所述日寄存器、所述月寄存器和所述年寄存器连接有组合逻辑电路；

所述I2C接口模块：包括起振电路，所述起振电路依次连接第一分频器、第二分频器、第三分频器、升压电路、第四分频器、第五分频器、第六分频器、第七分频器和第八分频器；

所述报警与周期性中断模块：包括串行时钟接口电路和串行数据接口电路，所述串行时钟接口电路依次连接九进制计数器、移位寄存器的时钟及控制信号、8位移位寄存器和检测读写位，所述串行数据接口电路依次连接检测应答位、所述8位移位寄存器和初始化信号，所述九进制计数器依次连接所述检测应答位和所述初始化信号，所述8位移位寄存器依次连接产生串行输出和输出电路；

所述电源管理模块：包括启动电路、第一电压比较器和第二变压比较器，所述启动电路、第一电压比较器和第二变压比较器均连接逻辑电路；

所述数字温度补偿浸提振荡器：包括依次连接的温度传感器、模拟数字转换器、存储单元、电容阵列和晶体振荡器。

2.根据权利要求1所述的一种高精度实时时钟芯片，其特征在于：所述报警与周期性中断模块中的8位移位寄存器依次连接检测片选和所述检测读写位。

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