一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)溫度補(bǔ)償方法

張瑋

摘要：現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的溫度補(bǔ)償?shù)倪^程中，需要CPU和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC進(jìn)行配合，而它們的功耗比較大，這就導(dǎo)致溫度補(bǔ)償運(yùn)行時(shí)消耗較大的功耗，如果有一種低功耗的溫度補(bǔ)償方式，無疑對(duì)于系統(tǒng)電池供電將非常有利。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)時(shí)鐘；計(jì)算機(jī)；溫度補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）11-0283-02

本文提出一種實(shí)時(shí)時(shí)鐘的自動(dòng)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎㄟ^兩個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的計(jì)數(shù)器來記錄溫度從而進(jìn)行溫度補(bǔ)償，不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和CPU參與，大大降低運(yùn)行時(shí)消耗的功耗。

1 研究的背景及意義

在不同溫度下晶振輸出時(shí)鐘產(chǎn)生偏差，作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘就是靠這個(gè)晶振計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)，晶振輸出的周期數(shù)量不夠或者過多都會(huì)導(dǎo)致時(shí)間產(chǎn)生偏差。

溫度的不穩(wěn)定是許多計(jì)算機(jī)應(yīng)用面臨的問題，特別是那些工作在寬溫范圍的應(yīng)用（如：室外嵌入式工業(yè)/通信系統(tǒng)的設(shè)備）。當(dāng)器件工作在溫度變化較大的環(huán)境中，頻率隨溫度的變化將成為影響計(jì)時(shí)精度的主要因素。

可通過計(jì)算得到晶振偏差帶來的時(shí)間偏差，使用32.768kHZ時(shí)鐘來計(jì)數(shù)，芯片極端溫度120度情況下是300PPM，這樣每天的秒數(shù)是sec = 24x60x60=86400 ，每天偏差的時(shí)間就是sec*300PPM=86400x300/1000000=25.92， 這樣可以看出來每天偏差幾乎是半分鐘了。

因此，帶溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的需求正在不斷增加，其應(yīng)用涉及電表、工業(yè)、通信等帶有部分嵌入式付費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)備、全球衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)及其他行業(yè)應(yīng)用。

2 現(xiàn)有時(shí)鐘溫度補(bǔ)償方式

現(xiàn)有的實(shí)時(shí)時(shí)鐘的溫度補(bǔ)償方式 如圖1所示。用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC將溫度傳感器采集的模擬溫度值轉(zhuǎn)化為數(shù)字值，將其處理之后即可作為補(bǔ)償表存儲(chǔ)器的地址，該地址中存放的數(shù)據(jù)正是這個(gè)溫度下的補(bǔ)償值，用這個(gè)補(bǔ)償值即可以對(duì)振蕩電路的電容和實(shí)時(shí)時(shí)鐘的秒時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器進(jìn)行補(bǔ)償。在補(bǔ)償?shù)倪^程中，需要CPU和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC進(jìn)行配合，而CPU和ADC是功耗比較大的，這就導(dǎo)致溫度補(bǔ)償裝置運(yùn)行時(shí)消耗較大的功耗，如果有一種低功耗的溫度補(bǔ)償方式，無疑對(duì)于系統(tǒng)電池供電將非常有利。

3低功耗的溫度補(bǔ)償方式與實(shí)現(xiàn)

3.1 研究思路

與現(xiàn)有的溫度補(bǔ)償方式不同，采用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的方法來記錄補(bǔ)償溫度，在運(yùn)行過程中不需要CPU和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC參與，可以降低成本，并且大大降低了運(yùn)行功耗。

3.2 低功耗的溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法

通過計(jì)數(shù)器來對(duì)兩個(gè)溫度時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)和計(jì)溫，具體來說希望利用溫度傳感器產(chǎn)生兩個(gè)溫度時(shí)鐘信號(hào)，其中一個(gè)溫度時(shí)鐘信號(hào)振蕩頻率與溫度無關(guān)并用于計(jì)時(shí)，另一個(gè)溫度時(shí)鐘信號(hào)振蕩頻率與溫度成近似的線性關(guān)系并用于計(jì)溫，將計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)得到的計(jì)溫值進(jìn)行處理得到溫度補(bǔ)償值，如圖2所示。

3.3 低功耗溫度補(bǔ)償方式的實(shí)現(xiàn)

如圖2所示，溫度傳感器產(chǎn)生兩個(gè)溫度時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)計(jì)數(shù)器獲得計(jì)數(shù)值，然后計(jì)數(shù)值傳至數(shù)字處理模塊并被其進(jìn)行處理，獲得地址值。使用地址值尋址補(bǔ)償表存儲(chǔ)器，找到對(duì)應(yīng)溫度的補(bǔ)償值，對(duì)振蕩電路和實(shí)時(shí)時(shí)鐘中的秒時(shí)鐘計(jì)數(shù)器進(jìn)行補(bǔ)償，完成自動(dòng)溫度補(bǔ)償。

晶體電路，產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，并將其傳至振蕩電路用于整形，最后經(jīng)過實(shí)時(shí)時(shí)鐘的識(shí)別，對(duì)其周期進(jìn)行計(jì)數(shù)。

溫度傳感器產(chǎn)生振蕩頻率與溫度無關(guān)的溫度時(shí)鐘信號(hào)CLK_X和振蕩頻率與溫度相關(guān)的溫度時(shí)鐘信號(hào)CLK_Y，這兩個(gè)時(shí)鐘的頻率之間必然有一個(gè)微小的偏差，通過對(duì)這兩個(gè)溫度時(shí)鐘進(jìn)行一定數(shù)量的計(jì)數(shù)，可以將將這個(gè)偏差進(jìn)行放大。

兩個(gè)并聯(lián)的計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，其中計(jì)數(shù)器1接收溫度時(shí)鐘信號(hào)CLK_X，計(jì)數(shù)器2接收溫度時(shí)鐘信號(hào)CLK_Y，然后數(shù)字處理器接收計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)值進(jìn)行處理，地址值尋址補(bǔ)償表存儲(chǔ)器得到對(duì)應(yīng)溫度時(shí)的補(bǔ)償值，該補(bǔ)償值對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的晶體振蕩器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘秒時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器進(jìn)行補(bǔ)償，完成自動(dòng)溫度補(bǔ)償。

計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的溫度補(bǔ)償方法中，計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2同時(shí)對(duì)這兩個(gè)溫度時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)振蕩頻率與溫度無關(guān)的計(jì)數(shù)器1計(jì)到一定的值后，振蕩頻率與溫度相關(guān)的計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)值和當(dāng)前補(bǔ)償溫度之間即有了一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，將計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)值經(jīng)過數(shù)字處理，即得到溫度補(bǔ)償值。

3.3.1 計(jì)數(shù)器和時(shí)鐘信號(hào)頻率解析

當(dāng)計(jì)數(shù)器1將溫度無關(guān)的溫度時(shí)鐘信號(hào)計(jì)數(shù)到M值時(shí)，計(jì)數(shù)器2將溫度相關(guān)的溫度時(shí)鐘信號(hào)也計(jì)數(shù)到N值，在不同的溫度下，這個(gè)N值是不同的，這樣計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)值N即和當(dāng)前的補(bǔ)償溫度有了一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如圖3所示。

計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)到M值所需要的時(shí)間要小于自動(dòng)溫度補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間間隔，為了滿足降低功耗、在不同溫度時(shí)保證計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)值N能夠產(chǎn)生變化這兩個(gè)條件，M值應(yīng)盡可能小，又不能太小，故M值應(yīng)該根據(jù)自動(dòng)溫度補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間間隔，所測的溫度點(diǎn)的個(gè)數(shù)以及CLK_X和CLK_Y的頻率差別來選取。

3.3.2尋址存儲(chǔ)方式解析

補(bǔ)償表存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的溫度補(bǔ)償值與計(jì)數(shù)器2的關(guān)系示意圖，如圖4所示。

此時(shí)將計(jì)數(shù)器2得到的計(jì)數(shù)值 N減去一個(gè)偏移值W，得到尋址表存儲(chǔ)器的地址。因?yàn)樵诿總€(gè)溫度下，得到的N值和減掉的偏移值W唯一，故得到的尋址存儲(chǔ)器的地址值也是唯一的。另外，補(bǔ)償表存儲(chǔ)器中已經(jīng)存放好了溫度補(bǔ)償表，用剛才所得的地址值去尋址補(bǔ)償表存儲(chǔ)器，即可以得到當(dāng)前溫度下的補(bǔ)償值，該補(bǔ)償值可作用于振蕩電路和實(shí)時(shí)時(shí)鐘的秒時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器。

4 帶溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)時(shí)鐘預(yù)期效果及展望

4.1應(yīng)用前景

在不同溫度下晶振輸出時(shí)鐘產(chǎn)生偏差，作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘就是靠這個(gè)晶振計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)，在一些工作在寬溫范圍的應(yīng)用中，當(dāng)器件工作在溫度變化較大的環(huán)境中，可以自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償頻率，提高計(jì)時(shí)精度，并進(jìn)一步降低功耗。

4.2對(duì)消費(fèi)者的影響

帶溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)時(shí)鐘可以應(yīng)用涉及電表、工業(yè)、通信等帶有部分嵌入式付費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)備、全球衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)及其他行業(yè)應(yīng)用，如果涉及付費(fèi)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性會(huì)增加用戶投訴及用戶滿意度和體驗(yàn)，本文的溫度補(bǔ)償方法可以提高消費(fèi)者數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)用戶來說滿意度更高。

5 結(jié)束語

本文的實(shí)時(shí)時(shí)鐘溫度補(bǔ)償方法，與現(xiàn)有的溫度補(bǔ)償方式相比，在運(yùn)行過程中不需要CPU進(jìn)行干預(yù)，也無須模數(shù)傳感器ADC的參與，既可以降低成本，又可以每次溫度補(bǔ)償完成后，將溫度傳感器產(chǎn)生的兩個(gè)溫度時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行關(guān)閉，直到下次進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)再進(jìn)行開啟，自動(dòng)修正，提高了準(zhǔn)確性并使功耗降到最低。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】