CN103699173B - 一种实时时钟计时误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实时时钟计时误差补偿方法，包括补偿步骤：一，对分频计数器CNT赋值0，执行步骤二；二，等待1Hz时钟上升沿到达时，对补偿标志寄存器FLAG赋值1，执行步骤三；三，判断FLAG、M3，若FLAG=1且M3＜0成立，则等待CNT=S4时，执行步骤四；若FLAG=1、CNT=0且M3>0成立，执行步骤五；否则，执行步骤二；四，执行赋值，CNT=0、M3=M3+S4、FLAG=0，重新执行步骤二，其中S4为1秒中最多补偿周期个数；五，执行赋值，CNT=S4、M3=M3‑S4、FLAG=0，重新执行步骤二。本发明相对误差ERR采样率可调，且补偿精度更高。

Description

一种实时时钟计时误差补偿方法

技术领域

本发明涉及一种实时时钟计时误差补偿方法。

背景技术

如图1所示，实时时钟计时最小单位为“秒”，其原理是对晶体振荡器输出频率为32768Hz方波进行分频1Hz ，1Hz方波驱动产生“秒”的时间和日历逻辑电路，进一步产生分、时、日、月、星期日历逻辑。晶体振荡器输出标准频率为32768Hz，但是，由于温度变化、石英晶体的制造工艺误差等原因，晶体振荡器输出的频率往往存在误差。

通常，把晶体振荡器输出的频率相对于标准频率32768Hz的相对误差作误差衡量标准，如下公式所示，单位为PPM（一百万分之一）。

为了补偿晶体振荡器输出的频率与标准频率32768Hz之间的误差，现有技术中，通常采用固定时间点补偿方法针对相对误差进行补偿，根据固定时间点如每隔10秒，查找相对误差（ERR）对应的需要补偿时钟个数，改变分频计数器（CNT）计数值。如图2所示，每隔10秒补偿时，10秒钟，分频计数器共计数基准频率时钟个数为32768*10=327680所以，10秒分频计数器CNT 多加1，相当于对基准频率做+3PPM的补偿，少加一次相当于对基准频率做-3PPM的补偿。通常，对ERR的采样率为0.1Hz,补偿数据ERR有效值为3 PPM，补偿后的最大误差为1.5PPM。

所述固定时间点补偿方法对ERR的采样率越低，补偿数据的有效值越高，但是，采样率低会引入频谱混叠误差。所以，所述方法对ERR的采样率，既不能太高，也不能太低，存在ERR采样率设置和最终补偿精度的矛盾关系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相对误差ERR采样率可调，且补偿精度更高的实时时钟计时误差补偿方法。

为达成上述目的，本发明的解决方案为：

一种实时时钟计时误差补偿方法，包括以下步骤：

包括计算步骤和补偿步骤：

计算步骤

一，循环减法寄存器M2赋值，循环减法寄存器M1=循环减法寄存器M2=；对累积误差周期个数寄存器M3赋值0，其中，S1用于调节ERR有效值，S2用于调节补偿电路工作频率，S3用于调节计算次数，执行步骤二；

二，等 Hz时钟上升沿到达时，对补偿标志寄存器COM赋值为0，对M2执行减法，M2=M1-︱ERR*S1︱，M1=M2，执行步骤三；

三，判断M2，若M2＜0时，执行对M2赋值，M2=M1+，M1= M2，并对补偿标志寄存器COM赋值为1，执行步骤四；否则，执行步骤二；

四，判断ERR*S1，若ERR*S1﹥0，执行 M3= M3+，否则，执行M3= M3-，执行步骤二；

补偿步骤

一，对分频计数器CNT赋值0，执行步骤二；

二，等待1Hz时钟上升沿到达时，对补偿标志寄存器FLAG赋值1，执行步骤三；

三，判断FLAG、M3，若FLAG=1且M3＜0成立，则等待CNT=S4时，执行步骤四；若FLAG=1、CNT=0且M3>0成立，执行步骤五；否则，执行步骤二；

四，执行赋值，CNT=0、M3= M3+S4、FLAG=0，重新执行步骤二，其中S4为1秒中最多补偿周期个数；

五，执行赋值，CNT=S4、M3= M3-S4、FLAG=0，重新执行步骤二。

采用上述方案后，本发明实时时钟计时误差补偿方法中，S1、S2、S3、S4参数可调节，采用本发明所述方案使得相对误差ERR采样率可调，且补偿精度更高。

附图说明

图1是实时时钟原理图；

图2是现有技术固定时间补偿方法示意图；

图3是标准频率与实际频率基本关系图；

图4是累积误差计算时序示意图；

图5是累积误差计算实施时序示意图；

图6是误差补偿方法示意图；

图7是误差补偿方法实施时序流程图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

根据相对误差ERR的基本定义，可知标准频率（32768Hz）与实际频率（32768*（1-ERRppm）基本关系，由标准频率（32768Hz）与实际频率（32768*（1-ERRppm）基本关系可以计算出标准周期与实际周期之间的关系，如图3所示，经过1个周期相差1*ERR/10⁶个周期，经过2个周期相差2*ERR/10⁶个周期，经过10⁶/ERR个周期相差(10⁶/ERR )*ERR/10⁶=1个周期。因此，经过N个周期，标准频率和实际频率相差W个周期个数的关系如表1所示：

表1

N	W
			1

即N：W=10⁶/ERR：1，经过10⁶/ERR个周期，需补偿1个周期。在实际补偿时，10⁶/ERR个周期通常转换为10⁶-ERR作循环减法，减到等于0，或为负数时，即补偿1个周期。由于10⁶数字较大，而相对误差ERR较小，因此，导致循环减法的次数很大，使得电路的功耗很大；相对误差ERR数值较小如1.001，存在小数点，而数字电路无法计算小数，只能取ERR=1，而0.001无法参与计算，影响补偿精度。

因此，对N和W数量关系做变换得到如表2所示：

表2

N	W

其中，S1,S2,S3所代表的含义如表3所示：

表3

参数	控制量	参数	控制量
				S1	ERR有效值	S3	计算次数
S2	补偿电路工作频率

S1的作用在于提高补偿精度，补偿精度提高S1倍（S1取正整数，1、2、3、……N），如当ERR=1.001时，由于，数字电路无法计算小数，只能取ERR=1，而0.001无法参与计算，式中，当S1取1000时，ERR×S1=1001，使得数字电路可以对1001进行计算，补偿精度提高1000倍。

表4，参数S1举例说明：

N	W	补偿精度
				1
=	1

分式中，S1可以调节补偿精度。如表4中，设置S1=1000，S2=1,S3=1,补偿精度提高1000倍。

由表4可知，经过个基准频率周期，补偿1个周期。ERR的单位为PPM，ERR’单位为PPM/1000=0.001PPM。因为，ERR’的单位为0.001PPM，所以，补偿数据ERR’可以精确到0.001PPM，补偿精度为0.001PPM。S1可调的优点是：可以提高补偿的精度。S1的取值范围为：S1为正整数（１、２、３、……、N）。

S2的作用在于调节补偿电路的工作频率，从而降低电路的功耗，表5对S2参数举例说明：

表5，参数S2说明：

N	W	补偿电路的工作频率

S2可以调节补偿电路的工作频率。关系式是除法运算，在实现电路中为了节省芯片版图面积、节省成本，转换成减法运算实现计数的目的，以S2×T(T为基准频率周期)为周期做循环减法，上次减法运算的差值作为本次减法的被减数，减数为ERR。被减数初始值为10⁶,当差值为负数时，表示已经经过了个S2×T，完成１次补偿计算循环，需要补偿S2个T。

例如，表５设置S1=1,S2=8,S3=1,补偿电路是以8T为周期做循环减法，即补偿电路的工作频率为 (f为基准频率)，降低补偿电路工作频率，从而降低电路的功耗。S2的取值范围：S2为正整数（１、２、３、……、N）。

S3的作用在于调节完成一次补偿循环的计算次数，减小被减数，减小减法器运算的位数，从而减少补偿运算电路的版图面积、节约成本，表6对S3参数举例说明：

表6，参数S3说明：

N	W	被减数初始值

S3，在确定S1,S2的取值后，调节S3，可以调节完成１次补偿循环的计算次数。

例如，如表6所示设置S1=1,S2=16,S3=16。由 S2参数说明可知，补偿电路每隔16T时间做１次减法。S3的作用是：设定循环减法的被减数初始值为。S3=16，则循环减法的被减数初始值设定为，与被减数初始值设定为10⁶相比，完成１次补偿计算循环的计算次数减少16倍。等效于被除数（循环减法的被减数初始值）减小16倍，除数（循环减法运算中的减数ERR）不变，则商(１次补偿循环的计算次数)也减小16倍。当１次补偿计算循环结束，经过个16T时间后，补偿１个T。

S3可调的优点是：减小被减数，减小减法器运算的位数，从而减少补偿运算电路的版图面积、节约成本。S3的取值范围是：同时属于和的因数。例如，S1=1，S2=16,S3可取值16，因为10⁶*1/16=15625,1*16/16=1都能整除，同时属于和的因数S3，还可以取值２，４，８。

综上所述，经过个周期需要补偿个周期，而个周期不能在1秒钟全部补偿完成，如此使得该1秒显得很长，或者显得很短，让人无法接受。因此，确定1秒钟最多只能补偿S4个周期个数。所以，补偿W（）个周期个数，需要W/S4秒完成，如表7所示。

表7，参数S4说明：

S4	最大补偿误差
		8
取值范围是：1、２、３、……32768

S4定义为１秒钟最多补偿的基准频率周期个数，最大补偿误差为。

例如，如表7所示，S4=8,则１秒钟最多补偿８个基准频率周期，则最大补偿误差为每秒钟都补偿８个基准频率周期，对应的补偿量为，其中，S4的取值范围是：1、２、３、……32768。

应用举例：

设置参数S1=1000,S2=32768,S3=512,S4=16。

表8，N和W的关系：

N	W

由表８得到：经过个周期后，需要对分频计数器CNT补偿64个周期个数。补偿电路工作频率为基准频率周期的32768倍(32768T)，即为1秒。循环减法被减数初始值设定为。取S4=16, 即1秒钟最多补偿16个周期个数。

表８中ERR’=ERR*1000, ERR单位为1 PPM，ERR’的单位为0.001PPM，即十亿分之一，补偿精度为0.001PPM。

如图4所示，累积误差计算时序示意图，经过个基准频率周期时间，累积误差达到64个基准频率周期个数。1秒钟为32768个基准频率周期时间，所以，秒钟，累积误差达到64个基准频率周期个数，并记录这个误差。

其中，M1,M2为两个24位寄存器。在0秒时刻，赋初始值1953125，1秒、2秒 、、、N秒时刻都做1次减法运算，把上1秒钟减法运算的差作为被减数，减去ERR’的绝对值。等到秒钟时，M2<0,此时经过个基准频率周期时间，累积误差达到64个基准频率周期个数，M3寄存器加/减64记录累积误差周期个数。ERR’符号的正负反映晶振频率的正负误差，晶振频率偏小时，ERR’定义为正，晶振频率偏大时，ERR’定义为负。可能除不尽，M2为负数，由此带来的误差,在后面的循环中消除，以后每个循环的开始，M2赋初始值为M1+1593125。

如图5所示，累积误差计算实施时序示意图，其中，COM为1位寄存器，为补偿标志寄存器，当累积误差达到64个周期个数时COM为高电平，对M3寄存器加/减64。完成对M3寄存器加/减64后，COM寄存器重新被置0。寄存器M1,M2的运算操作同步时钟为1Hz频率，即为32768个基准频率。

图5完成从基准频率误差ERR’(单位为0.001ppm)，到累积误差等于多少个基准频率周期个数的转换。其主要操作是，M1,M2赋予初值为1953126 ,每1秒钟对M1,M2寄存器中的数据，做一次减法运算，减去ERR’的绝对值，COM 赋值0。并且每1秒钟对上1秒钟减法运算的差作判断，若差大于或者等于0, 则当前1秒继续减1次ERR’的绝对值；若差小于0，则累积误差达到64个时钟周期，并对M2赋初值M2<=1953125+M1, M1<=M2, COM=1, 同时对寄存器M3加/减64。若ERR’>0,则M3<=M3+64；若ERR’<0,则M3<=M3-64。

如图6所示，误差补偿方法示意图，M3寄存器为累积误差周期个数寄存器。若M3>0，则晶振频率偏小，时钟偏慢，补偿措施是当CNT=0时，CNT赋值为16，从而加快时钟16个基准频率周期，同时M3=M3-16记录已经补偿了16个周期；若M3<0，则晶振频率偏大，时钟偏快，补偿措施是当CNT=16时，CNT复位为0，从而减慢时钟16个基准频率周期，同时M3=M3+16记录已经补偿了16个周期。

如图7所示，误差补偿方法实施时序流程图，其中，M3为累积误差周期个数寄存器，CNT为基准频率32.768KHz分频到1Hz频率的计数器的低5位。该计数器一共有15位，误差补偿只需要对该计数器的低5位进行译码判断即可，从而减少了译码电路的版图面积，同时降低了功耗。FLAG为标志寄存器，用于保证1秒钟最多补偿1次。

根据累积误差基准频率周期个数M3，对“秒”一级的时间进行补偿。补偿方法是对CNT计数器进行干预。具体做法是，在1Hz时钟的上升沿时，对标志寄存器FLAG置位为“1”。对M3、 CNT判断，若M3<0，则当CNT=16且FLAG=1时，对CNT计数器的最高位复位为“0”，即计数器减16，同时对FLAG复位为“0”；若M3>0，则当CNT=0且FLAG=1时，对CNT计数器的最高位置位为“1”，即计数器加16，同时对FLAG复位为“0”。标志寄存器FLAG只有在1Hz时钟上升沿置位为“1”，补偿后复位为“0”，作用是1秒钟最多补偿1次。

Claims (1)

1.一种实时时钟计时误差补偿方法，其特征在于：包括计算步骤和补偿步骤：

计算步骤

一，循环减法寄存器M2赋值，循环减法寄存器M1=循环减法寄存器M2=；对累积误差周期个数寄存器M3赋值0，其中，S1用于调节ERR有效值，S2用于调节补偿电路工作频率，S3用于调节计算次数，执行步骤二；

二，等 Hz时钟上升沿到达时，对补偿标志寄存器COM赋值为0，对M2执行减法，M2=M1-︱ERR*S1︱，M1=M2，执行步骤三；

三，判断M2，若M2＜0时，执行对M2赋值，M2=M1+，M1= M2，并对补偿标志寄存器COM赋值为1，执行步骤四；否则，执行步骤二；

四，判断ERR*S1，若ERR*S1﹥0，执行 M3= M3+，否则，执行M3= M3-，执行步骤二；

补偿步骤

一，对分频计数器CNT赋值0，执行步骤二；

二，等待1Hz时钟上升沿到达时，对补偿标志寄存器FLAG赋值1，执行步骤三；

三，判断FLAG、M3，若FLAG=1且M3＜0成立，则等待CNT=S4时，执行步骤四；若FLAG=1、CNT=0且M3>0成立，执行步骤五；否则，执行步骤二；

四，执行赋值，CNT=0、M3= M3+S4、FLAG=0，重新执行步骤二，其中S4为1秒中最多补偿周期个数；

五，执行赋值，CNT=S4、M3= M3-S4、FLAG=0，重新执行步骤二。