一種基于溫補時鐘芯片的授時系統*

楊宇飛，原玉磊，朱亞峰，李崇輝

（1.信息工程大學 測繪學院，河南鄭州 450052;2.河南工業大學 信息學院，河南 鄭州 450001）

0 引言

在科技快速進步、經濟飛速發展的今天，理論研究、科學實驗和工程技術諸多領域都對授時設備的精度，穩定度，便攜性等提出了越來越高的要求［1，2］。由于地球的自轉運動和恒星自身位置的不斷變化，在天文測量中，測站與觀測目標的相對位置是不斷變化的，在觀測目標位置的同時必須記錄相對應的時刻，時間記錄的精度直接影響著觀測的精度。

傳統的天文作業中所采用的收錄時號、時間比對、時鐘守時獲取時間的方法，存在操作復雜、便攜性差等缺點［1］。本文研發的授時系統是利用DS12C887溫補時鐘芯片在單片機平臺上建立的。該系統具有功耗低、體積小、攜帶方便、操作容易等優點［3］，其精度也可以滿足常規的天文測量作業以及其他一些授時服務的要求。

1 系統總體設計

1.1 系統的硬件構成

授時系統主要分為基本模塊和功能模塊2個部分，基本模塊主要負責控制系統運行、參數設置、信號輸入輸出、系統比時和數據處理等工作，功能模塊負責實現各種具體的功能。系統的總體構成如圖1所示。

1.1.1 基本模塊

圖1 授時系統的硬件構成Fig 1 Hardware structure of timing system

1）單片機:授時系統使用的是STC89C52RC單片機芯片。該芯片由STC公司生產，內部含有Flash E2PROM儲存器，內部程序儲存空間為8 kB［4］。STC單片機內部RAM（隨機讀寫存儲器）為512 B，其作用主要是負責控制整個系統的工作，并負責與電腦、測量設備進行通信。

2）計算機:系統使用的是普通的臺式機，E5300 2.6 GHz處理器，其主要負責對單片機進行初始化、時間比對，輔助單片機設置各種參數以及數據處理等工作。

1.1.2 功能模塊

1）DS12C887數字溫補時鐘芯片:DS12C887是一種純數字的時鐘芯片，也是授時系統的核心部件。該芯片內部有一個精密的溫度補償電路監測電源狀態，如果檢測到主電源掉電時，它可以自動切換到備用電源供電［5］。DS12C887將時鐘電路、晶振以及外圍電路、鋰電池及其相關電路等集成到一起，并具有與微處理器并行的接口，可方便地用于對時鐘精度要求較高的各種智能化儀器儀表中。

2）DS18B20溫度傳感器:DS18B20是一種支持“單總線”接口的數字溫度傳感器。它具有體積小、功耗低、精度高、抗干擾能力強、對處理器要求低等特點，可直接將溫度轉換成串行的數字信號供單片機處理。它的適用電壓范圍為3.0～5.5V，測溫范圍 －55～ +125℃，在 －10 ～85℃精度為0.5℃，可在0.1 s內測出溫度數據。

1.2 系統的軟件構成

1.2.1 單片機系統控制軟件

授時系統的單片機內嵌系統控制軟件是在Keil編譯語言平臺上開發的，并在構建授時系統時寫入單片機的ROM儲存器中。

單片機運行時，其內部的軟件通過改變單片機各個針腳在不同時刻輸出的電平狀態，實現對外圍電路的控制和數據的傳輸。

授時系統中采用的單片機內部軟件負責對溫補時鐘芯片、溫度芯片的數據采集，與測量設備、計算機等外圍設備的數據通信，以及對溫補時鐘芯片的鬧鐘中斷、計算機設置時間外部中斷申請的處理。

1.2.2 時間比對軟件

授時系統的時間比對軟件是在VC++集成開發環境下編寫的。軟件利用VC++提供的MSComm控件，通過加載控件、初始化并打開串口、捕獲串口事件、串口數據讀寫和關閉串口等步驟，實現計算機與單片機的串口通信［6］。

當系統進行比時時，軟件負責接收并記錄授時系統發出的時間、溫度數據，然后對數據進行誤差分析，求出授時系統時間與標準時間的偏差，并對其進行修正。

2 系統實現

2.1 授時系統工作流程

當授時系統加電運行時，溫補時鐘芯片根據自身的實時鐘每秒向單片機發出一個中斷申請，單片機檢測到中斷申請后，先向串口發送一個脈沖信號供外部設備準確記錄時間，然后，再讀取中斷申請時刻溫補時鐘芯片的日、時、分、秒值和DS18B20溫度芯片采集的溫度值，并通過串口發送給外圍設備。圖2為系統的工作流程圖。

圖2 授時系統工作流程Fig 2 Flow chart of timing system

2.2 DS12C887溫補時鐘芯片實現

DS12C887溫補時鐘芯片有幾個針腳控制數據的輸入輸出:CS針腳為片選端，AS針腳為地址選通輸入端，R/W為讀寫輸入端，DS針腳為數據選擇或讀輸入腳，IRQ為中斷輸出端。它還有一個分時復用地址數據總線負責與外部通信。授時系統中DS12C887溫補時鐘芯片與單片機的連接方式如圖3所示。

圖3 溫補時鐘芯片與單片機連接圖Fig 3 Connecting diagram between DS12C887 and SCM

時鐘芯片有4個控制寄存器，用于保存芯片的各種設置信息參數［5］。系統首次運行時，需要對時鐘芯片的控制寄存器A，控制寄存器B進行設置，初始化溫補時鐘芯片。向控制寄存器A中寫入0x20，開啟晶振，保持時鐘運行，向控制寄存器B中寫入0x36，允許鬧鐘中斷輸出。設置初始時間和鬧鐘，令溫補時鐘芯片每秒產生一個鬧鐘中斷。

2.3 DS18B20溫度傳感器實現

DS18B20溫度傳感器與單片機的連接比較簡單，只需將其I/O口與單片機的一個I/O口連接，并將相應的電源連接即可。

DS18B20溫度傳感器開始工作時，需要先對其進行初始化。讀取溫度時，單片機向溫度傳感器發出溫度轉換指令，傳感器會將溫度數據存放在內部9字節的RAM中，供單片機讀取。單片機讀取數據經過轉換，判斷正負后就可以得到實際的溫度值。

2.4 授時系統比時平臺

授時系統的比時的基準時間是GPS（global positioning system）提供的高精度UTC（coordinated universal time）時間。授時系統所用的GPS計時器提取的GPS秒脈沖上升沿的時刻與GPS時刻相差在50 ns以內，與標準的GPS時刻相差在 1 μs以內［7］。

授時系統每次比時需要5 min。系統比時時，授時系統和GPS接收機同時向計算機發射秒脈沖及其發射時間。計算機同時記錄下GPS提供的UTC時間以及其所對應的計算機counter時間，授時系統的脈沖時間以及其所對應的計算機的counter時間，并將它們保存記錄。通過數據處理從而求出溫補時鐘芯片的鐘差鐘速。

3 系統精度分析

3.1 鐘差鐘速的計算

時鐘時間與正確時間之間的差值，稱為這個時鐘在這一瞬間的鐘差，用u表示［2］。若時鐘的鐘面時為t'，正確時為t，則

鐘差在單位時間內的變化稱為鐘速，用ω表示

式中u2，u1分別為時鐘在鐘面時x2和x1瞬間鐘差。

授時系統的精度包括短期的計時穩定性和長期的計時穩定性。性能優良的授時系統不僅要求在短時間內計時穩定，不出現大的隨機跳變，也要求在長時間計時時，與標準時間偏差較小，不出現大的系統偏差。

數據處理的步驟是先利用GPS提供的UTC時間計算出計算機counter時間的鐘差，并進行最小二乘擬合，剔除擬合殘差大于2倍中誤差的數據［8，9］，并再次進行最小二乘擬合，可以得到利用計算機counter時間計算GPS時間的公式。根據授時系統比時數據中的計算機counter時間求出授時系統秒脈沖到達計算機所對應的GPS時間，并進行最小二乘擬合，計算出授時系統的鐘差鐘速。圖4為鐘差鐘速的計算步驟。

圖4 鐘差鐘速計算步驟Fig 4 Calculation procedure of clock error and clock rate

本文利用授時系統的時間比對平臺進行時間比對試驗，以檢驗授時系統的計時精度。

3.2 短時間計時穩定性

對短時間的實驗數據進行處理分析，可以得出授時系統在短時間內的鐘差變化。圖5是實驗所得的一段1 min的授時系統鐘差數據進行一次線性最小二乘擬合后的鐘差殘差。

圖5 1 min鐘差線性擬合殘差Fig 5 Linear fitting residual error of 1min clock error

由圖5可以看出:系統在短時間內鐘差比較穩定，隨機跳變在10－5s以內。

3.3 長時間計時精度

天文測量對授時系統的鐘速穩定性要求較高，一等天文測量對授時設備的要求是10h鐘速互差不超過10ms/h，圖6是連續55 h時間比對實驗的數據計算所得的鐘速。

圖6 授時系統長時間鐘速變化Fig 6 Long-term change clock rate of timing system

從圖中可以看出:系統的鐘速穩定在3～6.5 ms/h之間，鐘速最大互差為3.5 ms/h，符合一等天文測量的要求。

4 結束語

本文基于DS12C887溫補時鐘芯片設計實現了一個新型天文授時系統。該系統每隔一秒向外部設備發射一組時間數據和溫度數據，可實現長時間自動計時測溫，而且系統可以進行時間比對，進一步提高授時精度。連續多天的實驗表明:該系統運行穩定，精度較高，可以滿足一般天文測量和其他外部設備的授時需求。

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