DS1994存儲器/時間按鈕

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)。通過使用帶有補充非易失性SRAM的實時時鐘（RTC）來存儲校準(zhǔn)常數(shù)，可以顯著提高計時精度。每當(dāng)計時器復(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)的表征和校正計算，可以從現(xiàn)代石英時計中獲得高度的精度。出于實際原因，對早期計時至關(guān)重要的校正計算很少使用現(xiàn)代時計進(jìn)行。因此，手表、PC 時鐘或其他石英時計在未經(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)行此計算，從而使微處理器控制的計時設(shè)備能夠大幅提高精度。

二、計時誤差的來源

石英水晶控制時計的誤差來源如下：

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，對實際計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時員預(yù)計將表現(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)是不切實際的。手表具有用于調(diào)整振蕩器的機械調(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，因為計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時器幾乎完全受到校準(zhǔn)不精確性的限制。

三、計時誤差的糾正

如上所述，室內(nèi)水晶控制計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)，具體取決于計時器分別運行得慢還是快。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)。為了便于校正計算，非常希望計時員以單個標(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)部供電的計時單元，具有512字節(jié)的非易失性RAM存儲器和眾多專用計時功能。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)計提供了制造優(yōu)勢，因為DS1994可以表征并加載其A和B系數(shù)，然后用作組裝最終計時產(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)于機械修整組件的長期穩(wěn)定性，因為它在微調(diào)調(diào)整中沒有機械松弛效應(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)生可能影響計時器精度的熱量時，這一點非常重要。（對于要求極高精度的應(yīng)用，即計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。

五、計算校正時間的程序

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的免費實用程序，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，請在DOS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)。要計算和設(shè)置第二個校正系數(shù)B，請在DOS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，請在DOS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，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)點和第二個校準(zhǔn)點之間的天數(shù)，空閑天數(shù)表示第二個校準(zhǔn)點之后的天數(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)

通過使用帶有補充非易失性SRAM的實時時鐘來存儲校準(zhǔn)常數(shù)，可以顯著提高計時精度。每當(dāng)計時器復(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，該程序計算并顯示更準(zhǔn)確的讀數(shù)。如果計時員通過從指定的參考時間計算秒數(shù)來保持時間，那么簡單的程序代碼可以快速計算出更準(zhǔn)確的補償時間。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際影響降至最低。實驗數(shù)據(jù)表明，在兩個月內(nèi)可以實現(xiàn)每年± 2 秒的精度，在一整年中大約可以實現(xiàn) 16 秒的精度。

審核編輯：郭婷