時(shí)鐘同步的應(yīng)用廣泛，但常規(guī)的時(shí)鐘同步方案或?qū)K端設(shè)備要求高，或原理相對(duì)復(fù)雜。對(duì)此，本文利用大普的RTC秒上升沿即時(shí)生效原理，設(shè)計(jì)一種低功耗、高精確時(shí)鐘同步方案。

時(shí)鐘同步的應(yīng)用涵蓋通信、交通、電力、視頻、醫(yī)療、金融、教育等領(lǐng)域，在低功耗的設(shè)備上提高時(shí)鐘的同步精度具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1.時(shí)鐘同步的概念及精度影響因素

時(shí)鐘同步，也稱(chēng)為時(shí)間同步或?qū)︾?，是確保多個(gè)終端設(shè)備與時(shí)鐘源的時(shí)間保持一致的過(guò)程。時(shí)鐘同步的目的是為了消除時(shí)鐘偏差，從而實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)或者多終端協(xié)調(diào)操作。

時(shí)鐘同步的精確性主要受三個(gè)方面影響——主設(shè)備（時(shí)鐘源）時(shí)鐘精度、傳輸途徑和從設(shè)備（終端）時(shí)鐘調(diào)整分辨率。時(shí)鐘源一般選擇時(shí)鐘服務(wù)器或者GNSS，對(duì)于要求不高的局域組網(wǎng)，主設(shè)備甚至可以通過(guò)系統(tǒng)時(shí)鐘自己生成參考時(shí)鐘。傳輸途徑的影響可大可小，在傳輸途徑相對(duì)一致的情況下，它的影響較小甚至可以忽略。本文僅探討傳輸途徑一致的情況，因此，從設(shè)備（終端）時(shí)鐘調(diào)整分辨率是整個(gè)同步網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，決定了整個(gè)系統(tǒng)同步精度，是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的著力點(diǎn)。

2.時(shí)鐘同步的設(shè)計(jì)原理

為了方便測(cè)試，以下使用大普時(shí)鐘服務(wù)器DP4000[1]作為時(shí)鐘源。RTC使用大普INS5T8900[2]，與MCU一起組成從設(shè)備。

MCU從時(shí)鐘服務(wù)器獲得TOD信息和1PPS信號(hào)，再根據(jù)系統(tǒng)同步指令，通過(guò)IIC接口對(duì)RTC進(jìn)行設(shè)置，最終達(dá)到RTC的時(shí)間和服務(wù)器時(shí)間同步的目的。

市場(chǎng)上RTC的時(shí)間寄存器分辨率一般精確到秒，但本文將探討基于RTC，如何進(jìn)行毫秒甚至微秒級(jí)別的時(shí)鐘同步設(shè)置。其主要原理是利用大普的RTC秒上升沿即時(shí)生效原理——即秒上升沿會(huì)移動(dòng)到秒設(shè)置生效的位置，當(dāng)MCU捕捉到時(shí)鐘服務(wù)器輸出1PPS上升沿時(shí)，對(duì)RTC進(jìn)行秒的寫(xiě)操作，即能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)時(shí)鐘同步。工作原理框圖見(jiàn)圖1。

圖1 同步原理框圖

3.時(shí)鐘同步的具體實(shí)現(xiàn)

基于上述原理，理想的設(shè)置狀況是指令即時(shí)生效，但實(shí)際使用過(guò)程中每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)有誤差。要達(dá)到更高精度的時(shí)鐘同步，需要盡可能減少同步誤差。

3.1誤差確認(rèn)

減少誤差需要先分析和確認(rèn)誤差。如圖2所示，圖中T1是MCU軟件操作時(shí)延和IIC指令時(shí)延，主要和單片機(jī)以及IIC速率有關(guān)系。硬件和軟件系統(tǒng)確定后，T1即為固定值。T2是IIC操作生效到秒上升沿變化時(shí)間差，是RTC同步誤差，主要由RTC內(nèi)部邏輯電路確定，也是固定值。T3為T(mén)1和T2之和，即總誤差。

圖2 誤差確認(rèn)

3.2誤差校準(zhǔn)

確認(rèn)誤差之后，需要對(duì)誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。如上文所述，總誤差為固定值T3，那么校時(shí)起點(diǎn)若相對(duì)于GPS/BDS秒上升沿提前T3，就能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的秒上升沿同步。如圖3所示。

圖3 誤差校準(zhǔn)

4.時(shí)鐘同步的測(cè)試驗(yàn)證

按照以上原理進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)誤差校準(zhǔn)后，RTC輸出的1PPS（綠色）和服務(wù)器輸出的1PPS（黃色）同步精度非常高，相位偏差在±10us[3]內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了微秒級(jí)別的時(shí)鐘同步。

圖4 校準(zhǔn)后實(shí)測(cè)

綜上所述，大普的RTC INS5T8900，采用秒上升沿即時(shí)生效原理，實(shí)現(xiàn)了低功耗精準(zhǔn)時(shí)鐘同步。結(jié)合大普RTC配置靈活、可定制化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)景將被挖掘和實(shí)現(xiàn)。

注[1]：大普的時(shí)鐘服務(wù)器-DP4000關(guān)鍵特性：

（1）支持GNSS

（2）GPS/BDS/GLONASS/Galileo

（3）支持IEEE1588v2、1PPS、頻率輸入等多種參考源

（4）全協(xié)議支持 IEEE1588v2、NTP、SyncE

（5）滿(mǎn)足PRTC-B標(biāo)準(zhǔn)

（6）頻率準(zhǔn)確度：±1.0E-12（跟蹤衛(wèi)星）

（7）支持128/256個(gè)從時(shí)鐘

（8）相位精度: ±20ns/±50ns（跟蹤衛(wèi)星）

（9）保持能力:± 1.5μs/24 小時(shí) (△T=±10℃)

（10）多種接口類(lèi)型，接口可定制

注[2]：大普的RTC-INS5T8900關(guān)鍵特性：

（1）低功耗：1.0uA(典型)

（2）超高穩(wěn)定度：

±3.4ppm @ -40℃～+85℃

（3）內(nèi)置晶體：32.768kHz

（4）內(nèi)置溫度傳感器

（5）通信接口類(lèi)型：I2C總線接口

（6）電壓輸入范圍：1.6V ～ 5.5V

（7）溫度范圍：-40℃～+85℃

（8）可配置輸出，如1PPS等

（9）封裝尺寸：3.2* 2.5*1.0mm

注[3]：不同設(shè)計(jì)方案實(shí)際測(cè)試精度有差異，本測(cè)試值僅供參考。

審核編輯：劉清