基于单片机晶振的守时研究

0 引 言 时间是天文测量中1个关键的量。没有对应时间的天文测量数据没有任何意义。 文献[1-3]对计算机内部时间进行了研究，并建立了以计算机计时器为基础的天文测量守时系统，该守时方法在新型野外天文测量系统中得到了广泛的应用。但是该守时方法是基于计算机的，不方便对野外天文测量守时系统进行微型化，而且计算机时间也容易受到内部操作系统运行的影响。 本文的研究旨在为实现野外天文测量守时系统的独立和微型化做1个尝试。利用普通晶振和单片机的计数器实现1个时钟，并对该时钟的稳定性进行分析。 1 总体设计 晶振只能为外界提供1个频率基准，而不能直接输出时间，只有与计数器结合起来，才能实现计时的功能[4]。本文使用了单片机中的计数器对晶振振荡周期计数，并通过单片机的串行接口向外界输出秒脉冲和计时数据。 1.1 工作原理 单片机的计数器对晶振的周期数计数，根据晶振频率和单片机的机器周期可以计算出每一个计数所经过的时间，从而实现计时的功能。当计时完成1个整秒时，单片机通过串口输出计时脉冲和计时数据。系统工作原理如图1所示[5]。 图1 系统工作原理 1.2 单片机程序流程 单片机CPU的主要工作是响应计数中断并输出计时脉冲和计时数据。根据每一个计数所经过的时间，计算1s的计数个数，并为计数器设置计数中断，当计数时间为1个整秒时，计数器向CPU申请中断，CPU响应中断后输出计时脉冲，更新时间数据，并发送出去[6]。单片机内部程序流程图如图2所示。 图2 单片机内部程序流程图 2 精度评价方法 关于计算机内部64位计时器输出的时间的长期稳定性，文献[1]已经做了广泛、深入的研究，通过与GPS时的时间比对实验证明，计算机内部64位计数器所提供的时间在10h内，小时钟速最大互差为2.3μs，每小时的钟速中误差都小于1.5μs，因此可以认为计算机内部64位计数器所提供的时间在一定时期内精度非常高，可以以此为准，来评价单片机时间的稳定性。 2.1 计算机时的提取 计算机内部的计时芯片有64位的计数器，该计数器根据计时芯片的晶振进行累加计数，每一个振荡周期计数加1，计算机开机后，计数器从0开始计数。当已知计算机晶振的频率时，通过读取该计数器的值，就可以计算当前时刻相对于计算机开机时刻的时间延迟[1]。 在Windows 95以上版本的Windows操作系统中，都提供了用于读取计算机计数器值以及晶振频率的API函数，因此在Windows中编程可以很方便的提取当前时刻相对于计算机开机的时间。 提取出计算机收到脉冲时刻的时间后，再读取串口数据，记录当前晶振时钟的时间。计算机读取时间的程序流程图如图3所示。 图3 主机程序流程 2.2 钟差钟速计算模型 钟差用于描述时钟时间的正确性。在某一时刻，时钟的钟面时间与正确时间之差，称为该时钟在这一时刻的钟差。设某时钟的钟面时间为x，该时刻的正确时间为t，则钟差为： 钟速用于描述钟差在单位时间内的变化量，用于表征时钟的稳定性。设u1、u2分别为时钟在钟面时x1、x2时刻的钟差，则时钟在x1到x2时间段内的钟速为： 当已知时钟在某一时间段内的钟速和该时间段内某一时刻的钟差时，就可以计算该时间段内任一时刻的准确时间。设时钟在某一时间段内的钟速为w，该时间段内某一时刻钟面时x0的钟差为u2，则由该时间段内任一时刻钟面时x即可计算该时刻对应的准确时间t： 由式（3）可知，钟速w固定不变的时间段越长，该时钟可表达正确时间的时间段也越长。因此，判断时钟质量优劣的标准，不是钟差和钟速的大小，而是钟速的稳定性。 在计算机程序中，当接收到单片机的脉冲触发后，立即提取当前的计算机时间，由于脉冲触发响应时间和提取时间程序的执行时间很短且可以认为没有变化，因此这部分时间可以归入单片机时间的起始钟差中。 系统运行时，主机程序可以获得一系列的单片机时及对应时刻的计算机时，由于计算机时在短期内非常稳定，可以视为正确时间，根据这些时间数据可以计算单片机时相对于计算机时的钟差和钟速。 设单片机时在计时的起始时刻与计算机时的钟差为u0，起始时刻单片机时为x0，单片机时间xi时刻的计算机时间为ti，单片机时相对于计算机时的钟速为w，则有[7]： 3 实验结果与分析 利用市场上的普通晶振和AT89S52单片机构成了计时器，以3.0GHz主频的Inter Core Duo CPU 作为主机，进行了连续多天的比时实验。对比时数据进行处理，通过计算钟速钟差等表征量，对普通晶振的守时效果进行评价。 3.1 粗差剔除 粗差数据的产生可能是在主机内部，也可能是在主机外部。主机内部主要有两种情况，由于Windows系统运行的多线程、多任务等原因，一方面可能使系统对秒脉冲的响应时间出现延迟[8]；另一方面也可能使得提取计算

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