如何利用RTC秒上升沿的原理設計一種低功耗、高精確時鐘同步方案

時鐘同步的應用廣泛，但常規的時鐘同步方案或對終端設備要求高，或原理相對復雜。對此，本文利用大普的RTC秒上升沿即時生效原理，設計一種低功耗、高精確時鐘同步方案。

時鐘同步的應用涵蓋通信、交通、電力、視頻、醫療、金融、教育等領域，在低功耗的設備上提高時鐘的同步精度具有較高的應用價值。

1.時鐘同步的概念及精度影響因素

時鐘同步，也稱為時間同步或對鐘，是確保多個終端設備與時鐘源的時間保持一致的過程。時鐘同步的目的是為了消除時鐘偏差，從而實現精確計時或者多終端協調操作。

時鐘同步的精確性主要受三個方面影響——主設備（時鐘源）時鐘精度、傳輸途徑和從設備（終端）時鐘調整分辨率。時鐘源一般選擇時鐘服務器或者GNSS，對于要求不高的局域組網，主設備甚至可以通過系統時鐘自己生成參考時鐘。傳輸途徑的影響可大可小，在傳輸途徑相對一致的情況下，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，從設備（終端）時鐘調整分辨率是整個同步網絡的關鍵，決定了整個系統同步精度，是設計環節的著力點。

2.時鐘同步的設計原理

為了方便測試，以下使用大普時鐘服務器DP4000[1]作為時鐘源。RTC使用大普INS5T8900[2]，與MCU一起組成從設備。

MCU從時鐘服務器獲得TOD信息和1PPS信號，再根據系統同步指令，通過IIC接口對RTC進行設置，最終達到RTC的時間和服務器時間同步的目的。

市場上RTC的時間寄存器分辨率一般精確到秒，但本文將探討基于RTC，如何進行毫秒甚至微秒級別的時鐘同步設置。其主要原理是利用大普的RTC秒上升沿即時生效原理——即秒上升沿會移動到秒設置生效的位置，當MCU捕捉到時鐘服務器輸出1PPS上升沿時，對RTC進行秒的寫操作，即能實現精準時鐘同步。工作原理框圖見圖1。

圖1 同步原理框圖

3.時鐘同步的具體實現

基于上述原理，理想的設置狀況是指令即時生效，但實際使用過程中每個環節都會有誤差。要達到更高精度的時鐘同步，需要盡可能減少同步誤差。

3.1誤差確認

減少誤差需要先分析和確認誤差。如圖2所示，圖中T1是MCU軟件操作時延和IIC指令時延，主要和單片機以及IIC速率有關系。硬件和軟件系統確定后，T1即為固定值。T2是IIC操作生效到秒上升沿變化時間差，是RTC同步誤差，主要由RTC內部邏輯電路確定，也是固定值。T3為T1和T2之和，即總誤差。

圖2 誤差確認

3.2誤差校準

確認誤差之后，需要對誤差進行校準。如上文所述，總誤差為固定值T3，那么校時起點若相對于GPS/BDS秒上升沿提前T3，就能實現精準的秒上升沿同步。如圖3所示。

圖3 誤差校準

4.時鐘同步的測試驗證

按照以上原理進行了測試驗證。實際測試結果顯示，經過誤差校準后，RTC輸出的1PPS（綠色）和服務器輸出的1PPS（黃色）同步精度非常高，相位偏差在±10us[3]內，實現了微秒級別的時鐘同步。

圖4 校準后實測

綜上所述，大普的RTC INS5T8900，采用秒上升沿即時生效原理，實現了低功耗精準時鐘同步。結合大普RTC配置靈活、可定制化設計等特點，越來越多的應用場景將被挖掘和實現。

注[1]：大普的時鐘服務器-DP4000關鍵特性：

（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）全協議支持 IEEE1588v2、NTP、SyncE

（5）滿足PRTC-B標準

（6）頻率準確度：±1.0E-12（跟蹤衛星）

（7）支持128/256個從時鐘

（8）相位精度: ±20ns/±50ns（跟蹤衛星）

（9）保持能力:± 1.5μs/24 小時 (△T=±10℃)

（10）多種接口類型，接口可定制

注[2]：大普的RTC-INS5T8900關鍵特性：

（1）低功耗：1.0uA(典型)

（2）超高穩定度：

±3.4ppm @ -40℃～+85℃

（3）內置晶體：32.768kHz

（4）內置溫度傳感器

（5）通信接口類型：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]：不同設計方案實際測試精度有差異，本測試值僅供參考。

審核編輯：劉清