内置RTC作为电能表计时钟的应用

梁世清 包海泉 季海涛 何峥嵘

(江苏林洋电子股份有限公司，江苏 启东 226200)

0 引言

内置实时时钟 (real-time clock，RTC)在电能表成本方面具有优势，业界一般都是采用一片时钟芯片，如RX8025T。电能表是一种对时钟有精确要求的产品，但由于晶振受温度影响会产生频偏，导致时钟不精确。为了提高时钟的精确度，设计了一种温度补偿晶体频偏的RTC控制器。RTC时钟控制器能够实时补偿温度影响带来的频偏误差，从而得到精准的时钟。

1 软件校准RTC的原理

外接低速时钟信号(low speed external clock signal，LSE)的频率一般为32768Hz。当RTC预分频寄存器RTC_PRLH/RTC_PRLL(一个20位的寄存器)的频率设置为32768Hz时，RTC每隔32768个时钟周期输出一个秒脉冲。ANTI_TAMP管脚用来测试LSE晶振经64分频后的频率［1－10］。

软件校准RTC的原理如下。

①设置RTC时钟校准寄存器BKP_RTCCR;

② 每个单位能实现0.954×10－6(1000000/220)的精度校准;

③RTCCR寄存器取值范围为0～127;

④对于32768Hz晶振，其可补偿频偏范围(调慢)为:

⑤设置RTC预分频寄存器RTC_PRLH/RTC_PRLL，如由预设值32768调整为32766;

⑥ 设置BKP_RTCCR寄存器，此时，对于32768Hz晶振补偿的频偏范围(调快)为:

RTC校准工作原理图如图1所示。

图1 RTC校准工作原理图Fig.1 Operational principle of RTC calibration

基于上述原理，内置RTC时钟控制器可以在固定的时间窗口32 s(220/32768)补偿晶振偏差带来的时钟偏差。在长期运行的条件下，电能表时钟精度可满足要求;但在短期内，通过测试秒脉冲平均精度来测试RTC精度，这种方案不可取。

此外，温度的变化会给晶体的晶振带来偏差，所以必须根据实时环境温度来调整频偏，即调整RTC预分频寄存器RTC_PRLH/RTC_PRLL和RTC时钟校准寄存器BKP_RTCCR的值。

2 内置RTC的应用

目前，内置RTC已经应用于国网内置(带载波)二代三相智能多功能电能表。RTC相关的硬件包括处理器(stm32f100vct6)自带的RTC，3.6 V电池供电(保证在外部电源停电的情况下，RTC正常工作);在软件方面，主要从校准RTC寄存器值和校准寄存器的调整这两个方面对RTC进行校准。下面主要从软件方面实现RTC的校准机制。

2.1 校准RTC寄存器值

爱普生32.768 kHz晶体频偏随温度变化的曲线如图2 所示［11］。

图2 晶体频偏随温度变化曲线Fig.2 Curve of the crystal frequency offset vs.temperature

频偏和温度的数学模型为:

为了拟合接近实际晶振的二次系数k，并对同一批次的晶振进行数据采集和数据处理，在不同的温度下(用TCN75采集环境温度)，采用频谱仪实验测试ANTI_TAMP(MCU的PC.13)管脚来获取精准的数据。温度-脉冲数-RTC晶振64分频频表如表1所示。

表1 晶振64分频频率表Tab.1 64 frequency division of crystal oscillation

根据表1的相关数据，经数据处理拟合得到k=－0.035。结合相关数学模型，可以生成一张温度-频偏的表。在国网项目中，生成了一张温度范围为－40～80℃共120个点的频偏表。

根据软件校准RTC原理，在实际的应用中，设实际调节步数为k，理论上可以分2步进行计算，即2×106/32768≈61×10－6;设实际调节的值为 R，实际校准寄存器的值为V，则有:

式中:m为通过查温度-频偏数据表得到的值。

设实际要调整的预分频寄存器的值为n，则有:

2.2 校准秒脉冲

三相表多功能表处理器的系统时钟T=18.432 MHz，而处理器的定时器均为16位。因此，无法得到一个1 s的计数器。

为了解决这个问题，采用处理器CortexTM-M3内核的24 位定时器(向下计数)进行500 ms定时［4］，在500 ms定时器中断过程中对处理器的秒脉冲输出口线翻转，使秒脉冲输出口线输出秒脉冲。对于RTC的32768Hz晶振，一个周期(220/32768)=32 s。在32 s的周期内，每0.5 s进行误差计算，然后对32 s内的累积误差取平均，再将这个平均误差写入到24位定时器预分频寄存器，这样就能起到调整秒脉冲的目的，使时钟更加精确。

在软件设计方面，通过配置24位定时器500 ms产生定时器中断，在500 ms定时器中断过程中可以读出24位定时器预分频寄存器的值。理论上，每个500 ms读出的值应该是相同的，但实际上晶体的晶振会受温度影响产生频偏，所以就存在前一个500 ms读出的值与后一个500 ms读出的值不一致，这样相邻的500 ms就有一个误差。如在第一个1 s，前一个500 ms读出的值x0与后一个500 ms读出的值x1之间存在一个误差。同理，在第32 s，前一个500 ms读出的值x62与后500 ms读出的值x63之间也存在一个误差，于是在32 s的周期内就有64个这样的误差，称为累积误差和，那么要计算出0.5 s写入24位定时器预分频寄存器的值，只需将累积误差和除以64。以下是具体的推导过程。

设500 ms定时器中断写入预分频器的值为P:

设秒脉冲预分频器的值为Q，32 s累积误差和为S，则有:

在32 s的周期内，每个500 ms的平均误差W为:

所以实际写入脉冲预分频器的值Q为:

3 结束语

对于同一批次的晶振，在设定好晶振旁路的电容后，通过不必进行数据处理而直接用二次曲线的k值。内置RTC目前已经作为时钟成功应用于国网二代表，每天的平均误差小于0.5 s，满足国网技术条件要求，大大降低了产品的成本。内置RTC控制器也可以应用于其他对时钟有高要求的产品。

［1］王永虹，徐炜，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008.

［2］张君.晶振实时测量系统设计［D］.南京:南京航空航天大学，2004.

［3］邓乾中.自校准实时时钟RTC的研究和设计［D］.武汉:华中科技大学，2008.

［4］李浩，兰铁岩.实时时钟芯片RTC4553原理及应用［J］.电测与仪表，2003，40(8):35 －37.

［5］贾维.实时时钟 RTC的研究［D］.西安:西安电子科技大学，2009.

［6］朱永峰，陆生礼，茆邦琴.SOC设计中的多时钟域处理［J］.电子工程师，2003(11):60－61.

［7］谢修祥，王广生.异步多时钟系统的同步设计技术［J］.电子工程师，2005(5):18 －20.

［8］李根岱.可校准实时时钟芯片的研究设计［D］.武汉:华中科技大学，2009.

［9］白天力.基于RTC技术的即时通信软件的研究与设计［D］.北京:北京邮电大学，2006.

［10］曾劲.内嵌电源管理的实时时钟芯片的研究与设计［D］.武汉:华中科技大学，2009.

［11］许齐庆.晶体振荡器温频特性的改善［D］.西安:西安电子科技大学，2010.