内建高精度温补硬件RTC SOC智能电表方案

中心议题：
    *  分析影响RTC 精度的各种因素
    *  总结了目前常见的补偿机制
解决方案：
    *  内建高精度温补硬件RTC SOC智能电表方案

本文系统分析了影响RTC 精度的各种因素，总结了目前常见的补偿机制，提出一款基于能兼顾功耗和补偿实时性的SOC国网电表芯片方案，大幅降低智能电表的成本，提升方案的整体竞争。

前言

随着国网公司智能电表的招标，电表厂商间竞争日趋激烈，成本成为电表厂最关心的问题之一，只有降低成本才有可能在低价竞争中，占据有利地位，逐步提高利润。这使得SOC成为关注的焦点。

从目前国网单向智能电表方案来看，电子物料中成本占大头的分别是实时时钟芯片，ESAM安全芯片，MCU, 计量芯片，LCD 驱动。ESAM安全芯片由于安全需要为国网指定使用，不具集成条件；计量芯片虽然趋势上最终是要集成进SOC芯片，但由于国网对此的态度较审慎，短时间难有突破。所以目前比较务实的SOC方案是将LCD驱动和实时时钟芯片集成进去，LCD驱动大部分IC厂商均有类似产品，并不存在技术难度，而实时时钟方面，单向智能电表使用的芯片主要为EPSON的8025T, Intersil 12020M，美信DS3231，单价均在7元以上，价格较贵，但性能指标较高，-40度~85度范围内，精度优于0.432秒/天，远高于国网要求的-25度~60度，1秒/天的要求。要在SOC芯片中实现外置实时芯片接近的性能，虽有难度，但也并非完全不可能。

实时时钟的计时精度主要取决于时钟源的特性，以及如何根据时钟源的特性做出的补偿机制，下面就这两个方面做简单的介绍。


由于实时时钟芯片需要在电池供电下工作，所以功耗成为很重要的考虑因素，通常采用高ESR的音叉晶振。音叉晶振精度受到以下几个方面的影响：

1.生产工艺的偏差，导致常温下的频率发生偏移，一般在 +/-20PPM左右，精度稍高的在+/-5PPM。

2.温度的影响。这部分影响最大，频率偏移与温度近似成抛物线特性老化。晶振精度会随着工作时间的增加而发生变化，第一年最大会有+/- 3PPM变异，整个使用寿命期间会有+/-10PPM的变化。

激励功率的影响。过高的激励功率会影响时钟源的精确性和寿命，所以激励功率应控制在晶振可接受的范围内，对于常用的32768音叉晶振，激励功率应小于1uW.负载电容。包括外接的负载电容和PCB杂散电容，负载电容对频率的影响称为牵引率，可用以下公式表示


CM：为晶体的动态等效电容
C0: 为晶体的静态电容
CL: 为外接负载电容

 
图2 负载电容对频率的影响

常见的补偿机制分为模拟方法和数字方法：

模拟方法主要原理是利用负载电容对频率的影响来实现，通过增加和减少负载电容来达到补偿的频率偏移的目的，这种方法的优点在于补偿的实时性，补偿后的每个32768KHz 的时钟都是准确的，但缺点也很明显，补偿的范围有限，电容太大或太小后会带来稳定性问题；补偿的非线性，以及补偿效果与晶体本身的CM有关，带来批量调节的复杂性。


图3 模拟补偿方法

数字补偿机制。常用的数字补偿机制为TTF(数字脉冲吞吐法),通过吞吐时钟的个数来达到对计时精度的补偿。比如，对于32768Hz时钟源，通常只需要数32768个脉冲,就可输出精确的1Hz信号，但当32768Hz时钟源变快为32769Hz时，仍然数32768个脉冲就可输出的1Hz信号显然是偏快的，这时可以通过增加1个脉冲即数32769个脉冲再输出1Hz，这时的1Hz就是精确的了。补偿的精度为 1/32768=30.5PPM,如果需要提高补偿的精度可以有两种办法：增加吞吐脉冲数的周期时间，如由1S增加至60S,调节精度变为 1/32768/60=0.51PPM，但实时性降低，提高吞吐脉冲的频率，如内建100倍频的PLL电路,这样增加1个脉冲的该变的宽度仅为原32768Hz的1/100，补偿精度达到0.305PPM，但会带来功耗的增加，数字补偿方法的优点是不改变振荡器本身，补偿范围大，不会带来稳定问题，补偿效果确定，与晶体特性无关，缺点是补偿的实时性和功耗难以同时保证。

目前市面上的实时时钟芯片出于电池应用场合功耗考虑，大多采用模拟方法+数字低频时钟方法，来实现实时性和功耗平衡，其缺点是工厂调校较多。而在智能电表特定应用场合，在电池供电下，无需输出1Hz秒脉冲，对校正的实时性要求不高，可以使用低频脉冲补偿方法，同时满足功耗的要求；而在市电下，要求输出稳定精确的1Hz秒脉冲，但对功耗要求不高，因此可采用高频脉冲方式来进行输出补偿, 这使得全数字补偿成为可能。

本文采用的方式就是全数字补偿方式。系统结构如下：

 图4 系统框图

系统采用的是中颖电子为国网量身定制的SOC芯片：SH79F6431。

SH79F6431主要资源如下：

* 工作电压 2.4V~3.6V(部分IO支持5V，用于PLC接口)
* JTAG 在线调试
* 64KB FLASH程序存储空间
* 256B IRAM，2816 XRAM
* 3路UART接口，一路内建红外调制电路
* 3 路定时器，2路PWM,可用来产生ESAM和CPU卡时钟
* 硬件IIC接口，方便与LCD，EEPROM通讯
* 内建 4通道10 bit ADC，可内部直接测量电池电压
* 带补偿低功耗硬件实时时钟
* 内建高速PLL
* 内建掉电检测基准源，方便准确检测外部掉电
* 内建电源切换电路
* 内建4*39 LCD driver
* 支持ISP

从资源上看，SH79F6431完全可以满足国网单向电表的应用，比较特别的是其RTC为硬件RTC,其运行独立于CPU,不受各种复位电路的影响，并可提供两种供电下的兼顾功耗和实时性的补偿机制，保证市电下，每个秒脉冲都准确稳定的，而且用户接口统一，极为简单易用，用户只要将需要校正的频率偏差除以2.03后取整写入校正寄存器(RTCDATA)即可。

图中Rref,Rntc,C1组成测温电路，用于晶体环境温度的测量。考虑到功耗和自热问题，Rref和Rntc的阻抗要较大，这里Rref选用 100K/0.1%电阻，Rntc需用 50K,C1为1000pF，用于满足ADC输入动态电阻的要求。

振荡器选用的为 Seiko VT-200F,12pF，电容应采用温漂较小的C0G电容

对于前文提到的各种影响时钟精度的因素，补偿方法如下：

工艺和负载电容的影响：

在常温(25度左右)下测量出频偏B(单位ppM) ，将B/2.03写入RTCDATA即可

老化的影响：

根据晶体实际工作的时间和老化率，将老化引起的频偏除2.03,得到老化补偿值，与常温补偿值和温度补偿值做代数和后，写入RTCDATA,一年补偿一次

温度的影响：

用测温电路测量出当前温度值，根据温度与晶振随温度的变化曲线，找到对应温度下由于温度影响引起的频偏A

全温度范围内，补偿满足国网的要求，需确保温度控制在 +/-1度以内。

晶振的温度特性并非理想的抛物线，每家的温度特性均不同，需要大量的温度实验来获取温度特性，工作量巨大，实践表明，5度一个点进行描绘，既可以保证精度，又可以使工作量得到较大的减轻。

补偿动作在市电下，可一分钟进行一次，在电池模式下，考虑到功耗，一般十五分钟一次即可。

一次补偿的软件流程如下：


总结

基于SH79F6431的内建RTC补偿SOC方案，简单易行，无复杂运算，相比较独立RTC芯片成本大幅度降低，目前该方案通过批量试产验证，性能可以优于国网要求，全温度范围内，达到+/-0.3秒/天，补偿效果关键取决于测温的精度和物料的一致性。