本應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了使用達(dá)拉斯半導(dǎo)體DS1994存儲器/時間i按鈕進(jìn)行精確時間測量的技術(shù)。通過使用帶有補(bǔ)充非易失性SRAM的實(shí)時時鐘（RTC）來存儲校準(zhǔn)常數(shù)，可以顯著提高計(jì)時精度。每當(dāng)計(jì)時器復(fù)位時，改進(jìn)的校準(zhǔn)常數(shù)都可以存儲在非易失性SRAM中，以便連續(xù)復(fù)位自適應(yīng)地提高精度。當(dāng)讀取計(jì)時器時，這些常數(shù)與未校正的時基一起提供給微處理器程序，該程序計(jì)算并顯示更準(zhǔn)確的讀數(shù)。通過這種方式，可以將溫度、初始校準(zhǔn)、石英老化和沖擊歷史誤差的實(shí)際影響降至最低。

使用達(dá)拉斯半導(dǎo)體DS1994存儲器/時間i按鈕進(jìn)行精確時間測量的技術(shù)

一、歷史背景

對時間測量精度的第一個要求源于需要根據(jù)天體測量確定海上經(jīng)度。由于地球自轉(zhuǎn)，4 秒的時間測量誤差會產(chǎn)生 1 弧分的經(jīng)度誤差，或者在緯度接近 1 度時約為 30 英里。為了確定一艘船在一英里內(nèi)的位置，必須有一個好的六分儀和一個計(jì)時器，即使在海上航行很多天后，也能在 4 秒內(nèi)給出正確的時間。

第一個提供所需精度的導(dǎo)航天文臺表是精密機(jī)械設(shè)備。這些儀器沒有直接提供準(zhǔn)確的時間讀數(shù)。取而代之的是，天文臺表在陸地上經(jīng)過仔細(xì)表征，以確定它的快慢程度以及誤差如何取決于溫度和其他環(huán)境因素。每個天文臺表都配有自己獨(dú)特的一組特征數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以在海上使用，根據(jù)儀器提供的未校正時間計(jì)算出正確的時間。

現(xiàn)代、廉價的石英數(shù)字腕表現(xiàn)在優(yōu)于最好的早期航海天文臺表。通過仔細(xì)的表征和校正計(jì)算，可以從現(xiàn)代石英時計(jì)中獲得高度的精度。出于實(shí)際原因，對早期計(jì)時至關(guān)重要的校正計(jì)算很少使用現(xiàn)代時計(jì)進(jìn)行。因此，手表、PC 時鐘或其他石英時計(jì)在未經(jīng)校正的讀數(shù)中每天可能會增加或損失一秒或更長時間。正確執(zhí)行的糾正計(jì)算可以大大減少此錯誤。微處理器和微控制器現(xiàn)在可以相對輕松地執(zhí)行此計(jì)算，從而使微處理器控制的計(jì)時設(shè)備能夠大幅提高精度。

二、計(jì)時誤差的來源

石英水晶控制時計(jì)的誤差來源如下：

A. 溫度依賴性

石英振蕩器的振蕩頻率取決于溫度。典型的32.768kHz腕表晶體的頻率與溫度呈二次關(guān)系，最大頻率出現(xiàn)在“室溫”（25°C）附近。

B. 校準(zhǔn)誤差

石英振蕩器的振蕩頻率在一定程度上取決于構(gòu)成振蕩電路的電路元件的值。校準(zhǔn)誤差是指在出廠時調(diào)整（調(diào)整）電路元件的誤差，導(dǎo)致上述II.A中描述的最大頻率大于或小于預(yù)期值。

C. 隨時間而放松

制造過程會在石英晶體中引起機(jī)械應(yīng)力，從而影響其振蕩頻率。這些應(yīng)力在晶體的使用壽命期間自發(fā)松弛，導(dǎo)致頻率緩慢、長期的變化。

D. 沖擊歷史

嚴(yán)重的機(jī)械沖擊會突然松弛石英晶體中的現(xiàn)有應(yīng)力或引起新的應(yīng)力。這導(dǎo)致晶體頻率的階躍函數(shù)變化，隨后隨時間推移新應(yīng)力模式的松弛。

由弛豫隨時間和沖擊歷史引起的振蕩頻率變化是不可預(yù)測的，因此不受自動校正的影響。但是，在頻率發(fā)生變化后執(zhí)行的重新校準(zhǔn)可以消除這些影響，直到它們再次發(fā)生。因此，對實(shí)際計(jì)時精度的兩個最重要的影響是振蕩頻率的溫度依賴性和工廠校準(zhǔn)誤差。

溫度影響的重要性可能因環(huán)境而異。連續(xù)佩戴的腕表暴露在幾乎恒定的溫度環(huán)境中。在這種情況下，觀察到的誤差幾乎完全是由于校準(zhǔn)誤差造成的。即使手表在晚上放在梳妝臺上，它仍然會經(jīng)歷每天平均溫度的環(huán)境，從一天到第二天幾乎是恒定的。另一方面，暴露于日常和季節(jié)性極端室外溫度的計(jì)時員預(yù)計(jì)將表現(xiàn)出更大的溫度影響。

原則上，校準(zhǔn)誤差可以任意小。然而，在制造環(huán)境中，由于多種原因，非常精確地校準(zhǔn)是不切實(shí)際的。手表具有用于調(diào)整振蕩器的機(jī)械調(diào)整，振蕩器具有間隙和蠕變，限制了它們的設(shè)置精度。一個更重要的因素是，非常精確的校準(zhǔn)需要很長時間才能執(zhí)行，因?yàn)橛?jì)時員需要時間來累積可測量的誤差。因此，在室內(nèi)使用的手表和水晶控制計(jì)時器幾乎完全受到校準(zhǔn)不精確性的限制。

三、計(jì)時誤差的糾正

如上所述，室內(nèi)水晶控制計(jì)時器精度的主要限制是其工廠校準(zhǔn)的精度。與早期的航海天文臺表一樣，該設(shè)備能夠非常準(zhǔn)確地測量時間，但不能直接顯示準(zhǔn)確的時間。為了達(dá)到所需的精度，有必要確定校正系數(shù)，然后執(zhí)行校正計(jì)算以確定校正時間。此更正采用以下形式：

校正時間 = 未校正時間 + （未校正時間 - A） / B 在上式中，值 A 和 B
是通過表征獲得的校正系數(shù)。要設(shè)置計(jì)時器并確定 A 和 B 的值，需要執(zhí)行以下步驟：

在初始時間T1，將計(jì)時器與高度精確的時間標(biāo)準(zhǔn)同步。為此，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 （NIST） 提供無線電服務(wù)（5 MHz、10 MHz 和 15 MHz 的 WWV）和 9600 bps 調(diào)制解調(diào)器線路 （303-494-4774）。將系數(shù) A 設(shè)置為等于時間 T1。

等待很長時間，以允許未更正時間內(nèi)的錯誤累積。延遲幾天到一周可以獲得良好的結(jié)果，但延遲時間越長越好。在較長的延遲時間內(nèi)，計(jì)時員應(yīng)暴露在以后使用的平均溫度環(huán)境中。

稍后，在高精度時間標(biāo)準(zhǔn)提供的時間T2中，從計(jì)時器讀取未校正的時間T，并求解系數(shù)B的以下方程。

B = （T - T1） / （T2 - T）

現(xiàn)在系數(shù) A 和 B 已經(jīng)確定，通過使用從表征中獲得的 A 和 B 的值應(yīng)用校正方程，可以從任何未校正的時間測量中計(jì)算校正時間。請注意，B 的值可能是正數(shù)或負(fù)數(shù)，具體取決于計(jì)時器分別運(yùn)行得慢還是快。還應(yīng)該注意的是，B的值可以看作是一個大整數(shù)（有符號整數(shù)）。

上述更正雖然原則上簡單，但由于實(shí)際的時間單位（年、月、日、小時、分鐘、秒）以復(fù)雜的方式相關(guān)而變得復(fù)雜。例如，要確定 T - T1，必須找到 T1 表示的日期和時間與 T 表示的日期和時間之間的總秒數(shù)。為了便于校正計(jì)算，非常希望計(jì)時員以單個標(biāo)準(zhǔn)單位（例如秒）測量時間。其中一個標(biāo)準(zhǔn)是UNIX操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，其中時間保留為自1年1970月<>日開始以來經(jīng)過的總秒數(shù)。使用此標(biāo)準(zhǔn)，使用長整數(shù)算術(shù)可以輕松執(zhí)行校正計(jì)算。

四、記憶/時間i按鈕

達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS1994存儲器/定時i按鈕是一款小型、密封、內(nèi)部供電的計(jì)時單元，具有512字節(jié)的非易失性RAM存儲器和眾多專用計(jì)時功能。DS1994之間的數(shù)據(jù)傳輸通過單根串行數(shù)據(jù)線完成，采用達(dá)拉斯半導(dǎo)體1-Wire?協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。DS1994具有多種特性，特別適合上述校正計(jì)算類型：

DS1994在5字節(jié)寄存器中累積日期/時間信息，為自某個任意參考日期以來的256秒數(shù)。（為了與 UNIX 操作系統(tǒng)兼容，建議使用 1 年 1970 月 <> 日的參考日期。此日期/時間格式非常適合執(zhí)行上述校正計(jì)算，并且還可以輕松確定星期幾。應(yīng)用更正后，可以輕松將更正的日期和時間轉(zhuǎn)換為更標(biāo)準(zhǔn)的形式（MM/DD/YYYY，HH：MM：SS）。

校正系數(shù)A和B可以存儲在DS1994的非易失性RAM存儲器中。這種模塊化設(shè)計(jì)提供了制造優(yōu)勢，因?yàn)镈S1994可以表征并加載其A和B系數(shù)，然后用作組裝最終計(jì)時產(chǎn)品的組件。沒有必要將整個產(chǎn)品占用相對較長的時間，以對DS1994進(jìn)行準(zhǔn)確的表征。這種模塊化也便于維修或更換。

DS1994的振蕩頻率在出廠時是固定的。固定頻率電路提供優(yōu)于機(jī)械修整組件的長期穩(wěn)定性，因?yàn)樗谖⒄{(diào)調(diào)整中沒有機(jī)械松弛效應(yīng)。

由于采用1-Wire接口，DS1994很容易與產(chǎn)品其余部分保持一定距離。當(dāng)產(chǎn)品本身產(chǎn)生可能影響計(jì)時器精度的熱量時，這一點(diǎn)非常重要。（對于要求極高精度的應(yīng)用，即計(jì)時器本身保存在恒溫烘箱中，DS1的封裝和1994-Wire接口簡化了產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

五、計(jì)算校正時間的程序

達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司為DS5000（英特爾8051兼容微控制器）開發(fā)了一個演示程序，該程序從表征的DS1994計(jì)算校正時間，并在LCD顯示屏上顯示結(jié)果。使用該程序和正確表征的DS1994，其非易失性存儲器中存儲了A和B系數(shù)，在兩個月的時間里，在室內(nèi)觀察到了1個月內(nèi)1994秒的精度。此外，還開發(fā)了用于表征DS1994以及計(jì)算和存儲校正系數(shù)的PC程序。PC程序使用DS9097 COM端口適配器和DS9092 i按鈕探頭與DS232通信。適配器和探頭連接到PC的任何RS1994C串行端口，只需用探頭觸摸DS<>即可讀取和寫入數(shù)據(jù)。此演示集中的程序如下所述。

A. 設(shè)定時間

這是一個PC程序，執(zhí)行第III.1節(jié)中描述的校準(zhǔn)步驟。T1 是從 PC 的 DOS 時鐘獲得的。由于PC的計(jì)時精度通常較差，因此首先必須將PC時鐘與NIST標(biāo)準(zhǔn)同步，以便將其用作輔助時間標(biāo)準(zhǔn)。（此同步可以使用 9600 或更快的 bps 電話調(diào)制解調(diào)器和 MS DOS 實(shí)用程序 TIMESET 執(zhí)行，可從生命科學(xué)軟件（郵政信箱 587，斯坦伍德，華盛頓 98292，電話 360-387-9788）獲得。一個類似的程序，WTIME，作為微軟Windows的免費(fèi)實(shí)用程序，從PC雜志，27年1992月1994日。要設(shè)置DS1994時間和第一個校正系數(shù)A，請?jiān)贒OS提示
符下鍵入
SETTIME <時區(qū)偏移>，然后用探頭觸摸DS9097。是 DS1 適配器所連接的 COM 端口號。<時區(qū)偏移量>是所需的偏移小時數(shù)，如果 PC 設(shè)置為夏令時，則輸入為 -1994。程序設(shè)置DS<>中的時間寄存器和A系數(shù)，響應(yīng)“日期和時間成功設(shè)置”并終止。

B. 卡爾時間

這是一個PC程序，執(zhí)行第III.3節(jié)中描述的校準(zhǔn)步驟。在使用CalTime程序之前，應(yīng)允許DS1994在典型使用環(huán)境中放置數(shù)天或數(shù)周。T2 是從 PC 的 DOS 時鐘獲得的。同樣，首先有必要將PC時鐘與NIST標(biāo)準(zhǔn)同步，以便將其用作輔助標(biāo)準(zhǔn)。要計(jì)算和設(shè)置第二個校正系數(shù)B，請?jiān)贒OS提示符
下鍵入
CALTIME <時區(qū)偏移量>然后用探頭觸摸DS1994。程序設(shè)置DS1994中的B系數(shù)，響應(yīng)“日期和時間成功校準(zhǔn)”并終止。

C. 液晶顯示器

這是DS5000微控制器的程序，從DS1994讀取時間和校正系數(shù)，計(jì)算校正，并在連接的LCD顯示屏上顯示校正的時間、日期、星期和日光/標(biāo)準(zhǔn)時間指示器。（為了避免夏令時的問題，程序從DS1994讀取標(biāo)準(zhǔn)時間，并在夏令時生效時自動將其轉(zhuǎn)換為夏令時。該程序是用KSC Pascal編寫的，日立LCD控制器按照KSC推薦的方式連接到DS5000，基址從6000十六進(jìn)制更改為0000十六進(jìn)制。該程序可以使用KSC軟件系統(tǒng)公司的SYSTEM51（Ver 3.10）軟件開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行編譯，Ludvig Holsteins Alle 137，DK-2750 Ballerup，丹麥，電話（國際45）44 97 69 11，傳真（國際45）44 97 96 12。

D. 讀取時間

這是一個PC程序，它使用串行端口適配器讀取DS1994，并顯示校正和未校正的時間值、校準(zhǔn)常數(shù)和測量誤差。要讀取DS1994并顯示這些結(jié)果，請?jiān)贒OS提示下鍵入
READTIME <時區(qū)偏移>
，然后用探頭觸摸DS1994。程序顯示未校正的日期和時間、校正的日期和時間、校正時間和未校正時間之間的秒差、校正系數(shù) A 和 B 的值、當(dāng)前 DOS 時間以及校正時間與當(dāng)前 DOS 時間之間的秒差。

注意，在上述所有程序中，A和B的值都存儲在DS1994“時鐘頁”中未使用的實(shí)時報警和間隔時間報警寄存器中。這樣做是為了使512字節(jié)的非易失性RAM存儲器可以保留用于其他可能的用途。A和B的值可以在將來的任何時間分別使用SetTime和CalTime程序獨(dú)立重置。

六、校準(zhǔn)過程的測試

為了研究校準(zhǔn)過程的有效性，將一組50個DS1994分為五組，每組10個部件。所有部件的第一個校準(zhǔn)點(diǎn)是在 11 年 50 月 14 日中部標(biāo)準(zhǔn)時間上午 1992：<> 設(shè)置的。五組中的每一組，分別指定為A，B，C，D和E，在不同的時間段后重新校準(zhǔn)。使用CalTime為各個組設(shè)置第二個校準(zhǔn)點(diǎn)，如下所示：

11年50月16日上午1992：9，A組。B組，北京時間30年22月1992日上午3：40。C組，29年1992月9日下午10：3。D組，美國中部時間1992年7月35日上午13：1992。E組，<>年<>月<>日上午<>：<>，美國中部時間。

當(dāng)零件未被讀取或校準(zhǔn)時，它們?nèi)粤粼诳照{(diào)辦公環(huán)境中的辦公桌抽屜中。15 年 1992 月 11 日上午 50：<>（CST），使用 ReadTime 讀取所有部件，并以秒為單位列出校正時間中的錯誤，如下表所示：

上表中的校準(zhǔn)天數(shù)表示第一個校準(zhǔn)點(diǎn)和第二個校準(zhǔn)點(diǎn)之間的天數(shù)，空閑天數(shù)表示第二個校準(zhǔn)點(diǎn)之后的天數(shù)，直到 15 月 <> 日進(jìn)行最終讀數(shù)。

請注意，標(biāo)有星號的校正時間表示每年小于 2 秒的誤差。校準(zhǔn)時間較短的部件顯示出較大的誤差和較大的標(biāo)準(zhǔn)偏差，表明終點(diǎn)校準(zhǔn)不準(zhǔn)確性和短期溫度波動的影響。（相比之下，50 DS1994的未校正時間顯示平均誤差為526秒/年，標(biāo)準(zhǔn)差為210秒/年。

最后一次測量是在14年1993月11日上午50：550進(jìn)行的，比初始設(shè)置晚了一年。未校正時間的平均誤差為6.207秒，標(biāo)準(zhǔn)差為8.17秒，與上述兩個月測量結(jié)果一致。以百萬分之一 （ppm） 為單位，這是 5.6 ppm ± 6.<> ppm。<>組校正時間的平均誤差如下：

雖然不如兩個月期間的測量準(zhǔn)確，但這些精度仍然令人印象深刻。校正讀數(shù)中的偏差都在同一方向上，表明零件存儲環(huán)境的溫度可能存在季節(jié)性變化。正如預(yù)期的那樣，校準(zhǔn)周期最短的組（A組）的誤差最大。D組和E組校正讀數(shù)的平均誤差比未校正讀數(shù)的平均誤差小35倍。

七、小結(jié)

通過使用帶有補(bǔ)充非易失性SRAM的實(shí)時時鐘來存儲校準(zhǔn)常數(shù)，可以顯著提高計(jì)時精度。每當(dāng)計(jì)時器復(fù)位時，改進(jìn)的校準(zhǔn)常數(shù)都可以存儲在非易失性SRAM中，以便連續(xù)復(fù)位自適應(yīng)地提高精度。當(dāng)讀取計(jì)時器時，這些常數(shù)與未校正的時基一起提供給微處理器程序，該程序計(jì)算并顯示更準(zhǔn)確的讀數(shù)。如果計(jì)時員通過從指定的參考時間計(jì)算秒數(shù)來保持時間，那么簡單的程序代碼可以快速計(jì)算出更準(zhǔn)確的補(bǔ)償時間。通過這種方式，可以將溫度、初始校準(zhǔn)、石英老化和沖擊歷史誤差的實(shí)際影響降至最低。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在兩個月內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)每年± 2 秒的精度，在一整年中大約可以實(shí)現(xiàn) 16 秒的精度。

審核編輯：郭婷