內(nèi)建高精度溫補(bǔ)硬件RTC SOC智能電表方案設(shè)計(jì)分析

中心議題：
    *  分析影響RTC 精度的各種因素
    *  總結(jié)了目前常見的補(bǔ)償機(jī)制
解決方案：
    *  內(nèi)建高精度溫補(bǔ)硬件RTC SOC智能電表方案

本文系統(tǒng)分析了影響RTC 精度的各種因素，總結(jié)了目前常見的補(bǔ)償機(jī)制，提出一款基于能兼顧功耗和補(bǔ)償實(shí)時(shí)性的SOC國網(wǎng)電表芯片方案，大幅降低智能電表的成本，提升方案的整體競(jìng)爭(zhēng)。

前言

隨著國網(wǎng)公司智能電表的招標(biāo)，電表廠商間競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，成本成為電表廠最關(guān)心的問題之一，只有降低成本才有可能在低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)中，占據(jù)有利地位，逐步提高利潤(rùn)。這使得SOC成為關(guān)注的焦點(diǎn)。

從目前國網(wǎng)單向智能電表方案來看，電子物料中成本占大頭的分別是實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，ESAM安全芯片，MCU, 計(jì)量芯片，LCD 驅(qū)動(dòng)。ESAM安全芯片由于安全需要為國網(wǎng)指定使用，不具集成條件；計(jì)量芯片雖然趨勢(shì)上最終是要集成進(jìn)SOC芯片，但由于國網(wǎng)對(duì)此的態(tài)度較審慎，短時(shí)間難有突破。所以目前比較務(wù)實(shí)的SOC方案是將LCD驅(qū)動(dòng)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片集成進(jìn)去，LCD驅(qū)動(dòng)大部分IC廠商均有類似產(chǎn)品，并不存在技術(shù)難度，而實(shí)時(shí)時(shí)鐘方面，單向智能電表使用的芯片主要為EPSON的8025T, Intersil 12020M，美信DS3231，單價(jià)均在7元以上，價(jià)格較貴，但性能指標(biāo)較高，-40度~85度范圍內(nèi)，精度優(yōu)于0.432秒/天，遠(yuǎn)高于國網(wǎng)要求的-25度~60度，1秒/天的要求。要在SOC芯片中實(shí)現(xiàn)外置實(shí)時(shí)芯片接近的性能，雖有難度，但也并非完全不可能。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘的計(jì)時(shí)精度主要取決于時(shí)鐘源的特性，以及如何根據(jù)時(shí)鐘源的特性做出的補(bǔ)償機(jī)制，下面就這兩個(gè)方面做簡(jiǎn)單的介紹。

由于實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片需要在電池供電下工作，所以功耗成為很重要的考慮因素，通常采用高ESR的音叉晶振。音叉晶振精度受到以下幾個(gè)方面的影響：

1.生產(chǎn)工藝的偏差，導(dǎo)致常溫下的頻率發(fā)生偏移，一般在 +/-20PPM左右，精度稍高的在+/-5PPM。

 2.溫度的影響。這部分影響最大，頻率偏移與溫度近似成拋物線特性老化。晶振精度會(huì)隨著工作時(shí)間的增加而發(fā)生變化，第一年最大會(huì)有+/- 3PPM變異，整個(gè)使用壽命期間會(huì)有+/-10PPM的變化。

激勵(lì)功率的影響。過高的激勵(lì)功率會(huì)影響時(shí)鐘源的精確性和壽命，所以激勵(lì)功率應(yīng)控制在晶振可接受的范圍內(nèi)，對(duì)于常用的32768音叉晶振，激勵(lì)功率應(yīng)小于1uW.負(fù)載電容。包括外接的負(fù)載電容和PCB雜散電容，負(fù)載電容對(duì)頻率的影響稱為牽引率，可用以下公式表示

CM：為晶體的動(dòng)態(tài)等效電容
C0: 為晶體的靜態(tài)電容
CL: 為外接負(fù)載電容

 
圖2 負(fù)載電容對(duì)頻率的影響

常見的補(bǔ)償機(jī)制分為模擬方法和數(shù)字方法：

模擬方法主要原理是利用負(fù)載電容對(duì)頻率的影響來實(shí)現(xiàn)，通過增加和減少負(fù)載電容來達(dá)到補(bǔ)償?shù)念l率偏移的目的，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性，補(bǔ)償后的每個(gè)32768KHz 的時(shí)鐘都是準(zhǔn)確的，但缺點(diǎn)也很明顯，補(bǔ)償?shù)姆秶邢?，電容太大或太小后?huì)帶來穩(wěn)定性問題；補(bǔ)償?shù)姆蔷€性，以及補(bǔ)償效果與晶體本身的CM有關(guān)，帶來批量調(diào)節(jié)的復(fù)雜性。

圖3 模擬補(bǔ)償方法

數(shù)字補(bǔ)償機(jī)制。常用的數(shù)字補(bǔ)償機(jī)制為TTF(數(shù)字脈沖吞吐法),通過吞吐時(shí)鐘的個(gè)數(shù)來達(dá)到對(duì)計(jì)時(shí)精度的補(bǔ)償。比如，對(duì)于32768Hz時(shí)鐘源，通常只需要數(shù)32768個(gè)脈沖,就可輸出精確的1Hz信號(hào)，但當(dāng)32768Hz時(shí)鐘源變快為32769Hz時(shí)，仍然數(shù)32768個(gè)脈沖就可輸出的1Hz信號(hào)顯然是偏快的，這時(shí)可以通過增加1個(gè)脈沖即數(shù)32769個(gè)脈沖再輸出1Hz，這時(shí)的1Hz就是精確的了。補(bǔ)償?shù)木葹?1/32768=30.5PPM,如果需要提高補(bǔ)償?shù)木瓤梢杂袃煞N辦法：增加吞吐脈沖數(shù)的周期時(shí)間，如由1S增加至60S,調(diào)節(jié)精度變?yōu)?1/32768/60=0.51PPM，但實(shí)時(shí)性降低，提高吞吐脈沖的頻率，如內(nèi)建100倍頻的PLL電路,這樣增加1個(gè)脈沖的該變的寬度僅為原32768Hz的1/100，補(bǔ)償精度達(dá)到0.305PPM，但會(huì)帶來功耗的增加，數(shù)字補(bǔ)償方法的優(yōu)點(diǎn)是不改變振蕩器本身，補(bǔ)償范圍大，不會(huì)帶來穩(wěn)定問題，補(bǔ)償效果確定，與晶體特性無關(guān)，缺點(diǎn)是補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性和功耗難以同時(shí)保證。

目前市面上的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片出于電池應(yīng)用場(chǎng)合功耗考慮，大多采用模擬方法+數(shù)字低頻時(shí)鐘方法，來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性和功耗平衡，其缺點(diǎn)是工廠調(diào)校較多。而在智能電表特定應(yīng)用場(chǎng)合，在電池供電下，無需輸出1Hz秒脈沖，對(duì)校正的實(shí)時(shí)性要求不高，可以使用低頻脈沖補(bǔ)償方法，同時(shí)滿足功耗的要求；而在市電下，要求輸出穩(wěn)定精確的1Hz秒脈沖，但對(duì)功耗要求不高，因此可采用高頻脈沖方式來進(jìn)行輸出補(bǔ)償, 這使得全數(shù)字補(bǔ)償成為可能。

本文采用的方式就是全數(shù)字補(bǔ)償方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

 圖4 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用的是中穎電子為國網(wǎng)量身定制的SOC芯片：SH79F6431。

SH79F6431主要資源如下：

* 工作電壓 2.4V~3.6V(部分IO支持5V，用于PLC接口)
* JTAG 在線調(diào)試
* 64KB FLASH程序存儲(chǔ)空間
* 256B IRAM，2816 XRAM
* 3路UART接口，一路內(nèi)建紅外調(diào)制電路
* 3 路定時(shí)器，2路PWM,可用來產(chǎn)生ESAM和CPU卡時(shí)鐘
* 硬件IIC接口，方便與LCD，EEPROM通訊
* 內(nèi)建 4通道10 bit ADC，可內(nèi)部直接測(cè)量電池電壓
* 帶補(bǔ)償?shù)凸挠布?shí)時(shí)時(shí)鐘
* 內(nèi)建高速PLL
* 內(nèi)建掉電檢測(cè)基準(zhǔn)源，方便準(zhǔn)確檢測(cè)外部掉電
* 內(nèi)建電源切換電路
* 內(nèi)建4*39 LCD driver
* 支持ISP

從資源上看，SH79F6431完全可以滿足國網(wǎng)單向電表的應(yīng)用，比較特別的是其RTC為硬件RTC,其運(yùn)行獨(dú)立于CPU,不受各種復(fù)位電路的影響，并可提供兩種供電下的兼顧功耗和實(shí)時(shí)性的補(bǔ)償機(jī)制，保證市電下，每個(gè)秒脈沖都準(zhǔn)確穩(wěn)定的，而且用戶接口統(tǒng)一，極為簡(jiǎn)單易用，用戶只要將需要校正的頻率偏差除以2.03后取整寫入校正寄存器(RTCDATA)即可。

圖中Rref,Rntc,C1組成測(cè)溫電路，用于晶體環(huán)境溫度的測(cè)量?？紤]到功耗和自熱問題，Rref和Rntc的阻抗要較大，這里Rref選用 100K/0.1%電阻，Rntc需用 50K,C1為1000pF，用于滿足ADC輸入動(dòng)態(tài)電阻的要求。

振蕩器選用的為 Seiko VT-200F,12pF，電容應(yīng)采用溫漂較小的C0G電容

對(duì)于前文提到的各種影響時(shí)鐘精度的因素，補(bǔ)償方法如下：

工藝和負(fù)載電容的影響：

在常溫(25度左右)下測(cè)量出頻偏B(單位ppM) ，將B/2.03寫入RTCDATA即可

老化的影響：

根據(jù)晶體實(shí)際工作的時(shí)間和老化率，將老化引起的頻偏除2.03,得到老化補(bǔ)償值，與常溫補(bǔ)償值和溫度補(bǔ)償值做代數(shù)和后，寫入RTCDATA,一年補(bǔ)償一次

溫度的影響：

用測(cè)溫電路測(cè)量出當(dāng)前溫度值，根據(jù)溫度與晶振隨溫度的變化曲線，找到對(duì)應(yīng)溫度下由于溫度影響引起的頻偏A

全溫度范圍內(nèi)，補(bǔ)償滿足國網(wǎng)的要求，需確保溫度控制在 +/-1度以內(nèi)。

晶振的溫度特性并非理想的拋物線，每家的溫度特性均不同，需要大量的溫度實(shí)驗(yàn)來獲取溫度特性，工作量巨大，實(shí)踐表明，5度一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行描繪，既可以保證精度，又可以使工作量得到較大的減輕。

補(bǔ)償動(dòng)作在市電下，可一分鐘進(jìn)行一次，在電池模式下，考慮到功耗，一般十五分鐘一次即可。

一次補(bǔ)償?shù)能浖鞒倘缦拢?/p>

總結(jié)

基于SH79F6431的內(nèi)建RTC補(bǔ)償SOC方案，簡(jiǎn)單易行，無復(fù)雜運(yùn)算，相比較獨(dú)立RTC芯片成本大幅度降低，目前該方案通過批量試產(chǎn)驗(yàn)證，性能可以優(yōu)于國網(wǎng)要求，全溫度范圍內(nèi)，達(dá)到+/-0.3秒/天，補(bǔ)償效果關(guān)鍵取決于測(cè)溫的精度和物料的一致性。