內置高精度溫補硬件RTC的SoC智能電表方案

　　從目前國網單相智能電能表整體方案來看，電子物料中成本較高的分別是實時時鐘芯片、ESAM安全芯片、MCU、計量芯片、LCD驅動。ESAM安全芯片由于安全需要為國網指定使用，不具備集成條件；計量芯片雖然在趨勢上最終要被集成到SoC芯片，但由于國網對此態度較為審慎，短時間難有突破。所以目前比較務實的SoC方案是將LCD驅動和實時時鐘芯片集成進去。LCD驅動大部分IC廠商均有類似產品，并不存在技術難度。而實時時鐘方面，單相智能電表使用的芯片主要為EPSON的8025T、Intersil12020M、美信DS3231，單價均在7元以上，價格較貴，但其性能指標較高，-40℃~85℃范圍內，精度優于0.432s/d，遠高于國網要求的-25℃~60℃，1s/d的要求。要在SoC芯片中實現外置實時芯片接近的性能，雖有難度，但也并非完全不可能。

　　實時時鐘的計時精度主要取決于時鐘源的特性，以及如何根據時鐘源的特性做出補償機制。下面就這兩個方面來做簡單的介紹。

　　由于實時時鐘芯片需要在電池供電情況下工作，所以功耗成為一個很重要的考慮因素，通常采用高ESR的音叉晶振。音叉晶振精度受到以下幾個方面的影響。

　　生產工藝的偏差導致常溫下的頻率發生偏移。頻率偏移量一般在±20PPM左右，精度稍高的在±5PPM；

　　溫度的影響：這部分影響最大，頻率偏移與溫度近似成拋物線特性；

　　老化：晶振精度會隨著工作時間的增加而發生變化。第一年晶振精度最大會有±3PPM變異，整個使用壽命期間會有±10PPM的變化；

　　激勵功率的影響：過高的激勵功率會影響時鐘源的精確性和壽命，所以激勵功率應控制在晶振可接受的范圍內，對于常用的32768音叉晶振，激勵功率應小于1μW；

　　負載電容：包括外接的負載電容和PCB雜散電容。負載電容對頻率的影響稱為牽引率，可用以下公式表示：

　　其中，CM為晶體的動態等效電容，C0為晶體的靜態電容，CL為外接負載電容。

常見的補償機制分為模擬方法和數字方法

　　模擬方法主要原理是利用負載電容對頻率的影響來實現，通過增加和減少負載電容來達到補償頻率偏移的目的。這種方法的優點在于補償的實時性，補償后的每個32768kHz時鐘都是準確的。但缺點也很明顯，補償的范圍有限，電容太大或太小都將帶來穩定性問題；補償的非線性以及補償效果與晶體本身的CM有關，這將帶來批量調節的復雜性。

　　常用的數字補償機制為TTF(數字脈沖吞吐法)，通過吞吐時鐘的個數來達到對計時精度的補償。比如，對于32768Hz時鐘源，通常只需要數32768個脈沖，就可輸出精確的1Hz信號，但當時鐘源振蕩頻率由32768Hz變大為32769Hz時，仍按32768個脈沖計數輸出1Hz信號顯然會偏快。這時可以通過增加1個脈沖即數32769個脈沖再輸出1Hz，這時的1Hz就是精確的了。補償的精度為1/32768=30.5PPM。如果需要提高補償精度可以有兩種辦法：1) 增加吞吐脈沖數的周期時間，如由1s增加至60s，此時調節精度變為1/32768/60=0.51PPM，但實時性降低；2) 提高吞吐脈沖的頻率，如內置100倍頻的PLL電路，這樣增加1個脈沖改變的寬度僅為原32768Hz的1/100，此時補償精度可達到0.305PPM，但這樣會帶來功耗的增加。數字補償方法的優點是不需要改變振蕩器本身，其補償范圍大，又不會帶來穩定問題，補償效果確定，與晶體特性無關。缺點是補償的實時性和功耗難以同時保證。

　　目前市面上的實時時鐘芯片出于電池應用場合功耗考慮，大多采用模擬方法與數字低頻時鐘方法相結合的方法來實現實時性和功耗平衡，其缺點是工廠調校較多。而在智能電表特定應用場合，在電池供電情況下無需輸出1Hz秒脈沖，此時對校正的實時性要求不高，可以使用低頻脈沖補償方法，同時滿足功耗的要求。而在市電供電情況下要求輸出穩定精確的1Hz秒脈沖，但此時對功耗要求不高，因此可采用高頻脈沖方式來進行輸出補償，這便使得全數字補償成為可能。

　　本文采用的方式就是全數字補償方式。系統結構圖如圖4所示。

　　該系統采用的是中穎電子為國網量身定制的SoC芯片SH79F6431。

　　SH79F6431主要資源如下：

　　工作電壓2.4V~3.6V(部分IO支持5V，用于PLC接口)；

　　JTAG在線調試；

　　64KB FLASH程序存儲空間；

　　256B IRAM，2816 XRAM；

　　3路UART接口，一路內置紅外調制電路；

　　3路定時器，2路PWM，可用來產生ESAM和CPU卡時鐘；

　　硬件IIC接口，方便與LCD，EEPROM通訊；

　　內置4通道10 bit ADC，可內部直接測量電池電壓；

　　帶補償低功耗硬件實時時鐘；

　　內置高速PLL；

　　內置掉電檢測基準源，方便準確檢測外部掉電；

　　內置電源切換電路；

　　內置4*39 LCD driver；

　　支持ISP。

　　從資源上看，SH79F6431完全可以滿足國網單相電能表的應用，比較特別的是其RTC為硬件RTC，其運行獨立于CPU，不受各種復位電路的影響，并可提供兩種供電模式下的功耗兼顧和實時性補償機制。在保證市電供電情況下，每個秒脈沖都準確穩定，而且用戶接口統一，非常簡單易用，用戶只要將需要校正的頻率偏差除以2.03并取整后寫入校正寄存器(RTCDATA)即可。

　　圖4中Rref，Rntc和C1組成測溫電路，用于晶體環境溫度的測量。考慮到功耗和自熱問題，Rref和Rntc的阻抗較大，這里Rref選用100kΩ/0.1%電阻，Rntc采用50kΩ，C1為1000pF，用于滿足ADC輸入動態電阻的要求。

　　振蕩器選用Seiko VT-200F及12pF，電容應采用溫漂較小的C0G電容。

　對于前文提到的各種影響時鐘精度的因素，補償方法如下：

　　工藝和負載電容的影響：

　　在常溫(25℃左右)下測量出頻偏B(單位PPM)，將B/2.03寫入RTCDATA即可。

　　老化的影響：

　　根據晶體實際工作時間和老化率，將老化引起的頻偏除以2.03可得到老化補償值，與常溫補償值和溫度補償值代數求和后，寫入RTCDATA，每年補償一次。

　　溫度的影響：

　　用測溫電路測量出當前的溫度值，根據溫度和晶振頻率隨溫度變化的曲線，找到對應溫度下由溫度影響引起的頻偏A。全溫度范圍內，要補償滿足國網要求，需確保溫度控制在±1℃以內。

　　晶振的溫度特性并非理想的拋物線，各廠商的溫度特性均不相同，需要大量的溫度實驗來獲取溫度特性，工作量巨大。實踐表明，每5℃一個點進行描繪，既可以保證精度，又可以使工作量得到較大的減輕。

　　補償動作在市電供電下，可一分鐘進行一次；在電池供電下，考慮到功耗，一般十五分鐘一次即可。一次補償的軟件流程如圖5所示。

　　本文小結

　　基于SH79F6431的內置RTC補償SoC方案，簡單易行，無需復雜運算，相比較獨立RTC芯片成本得到大幅降低。目前該方案通過批量試產驗證，性能可優于國網要求，全溫度范圍內，達到±0.3s/d，補償效果關鍵取決于測溫精度和物料的一致性。