單片機系統(tǒng)中日歷時鐘自動校準(zhǔn)及調(diào)整

1、概述

在各類檢測控制系統(tǒng)中，需要通過日歷時鐘進(jìn)行時間上的控制或?qū)κ录l(fā)生的時間進(jìn)行記錄。如電網(wǎng)檢測系統(tǒng)，路燈控制系統(tǒng)等。但日歷時鐘時常跑快跑慢的缺陷不可避免。經(jīng)過日積月累，就會產(chǎn)生較大的誤差，這會影響控制與檢測的準(zhǔn)確性。為了解決日歷時鐘的準(zhǔn)確度問題，我們設(shè)計了能夠自動校準(zhǔn)和調(diào)整運行速度的日歷時鐘。它在每天的12：00和00：00都會自動校準(zhǔn)一次，并根據(jù)12個小時運行的誤差大小自動調(diào)整時鐘的運行速度?？墒箷r鐘運行的準(zhǔn)確度相當(dāng)高。

我們設(shè)計的思路是：利用小型收音機中接收部分電路接收中央人民廣播電臺播出的中心頻率為106.1MHz的調(diào)頻信號，并解調(diào)出音頻信號，將音頻信號輸入兩個鎖相環(huán)路。這兩個鎖相環(huán)路分別跟蹤800Hz和1600Hz的報時信號。當(dāng)接收到報時信號時，為單片機提供外部中斷，通過執(zhí)行中斷程序即可完成對日歷時鐘的自動校準(zhǔn)。并根據(jù)運行誤差，自動調(diào)整日歷時鐘芯片X1205內(nèi)部的數(shù)字微調(diào)寄存器和模擬微調(diào)寄存器，在+146ppm至-67ppm范圍內(nèi)調(diào)整時鐘運行速度。

2、電路設(shè)計

電路由單片機AT89C52、日歷時鐘芯片、自動校準(zhǔn)電路、4×4鍵盤及顯示電路組成。

2.1日歷時鐘芯片X1205與AT89C52的接口

X1205是一個帶有時鐘、日歷、兩路報警、振蕩器補償和電池切換的實時時鐘集成電路[1]。 I2C總線結(jié)構(gòu)，外接32.768KHz的晶體。時鐘/控制寄存器的地址范圍為0000H～003FH。

X1205各引腳功能及與單片機AT89C52的連接如圖1所示：
X1，X2：外接石英晶體振蕩器端。
：在應(yīng)用報警功能時，該引腳輸出中斷信號，低電平有效。本電路采用循環(huán)中斷方式，每秒中斷一次。
SCL：由單片機給X1205提供的串行時鐘的輸入端。
SDA：數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。
VSS：接地端。
VCC、VBACK：前者為電源輸入端，后者為備用電源。在實際應(yīng)用中，通常可以接成如圖1中所示的電路。在VCC與VBACK之間接二極管，在 VBACK與地之間接電容。在正常供電情況下，VCC給電容充電。掉電后，電容充當(dāng)備用電源。在VCC掉電后，備用電源電流小于2μA ，電容C用10μF的鉭電解質(zhì)電容亦可。

X1205片內(nèi)的數(shù)字微調(diào)寄存器DTR（地址0013H）的第2、1、0三位DTR2、DTR1、DTR0調(diào)整每秒鐘的計數(shù)值和平均ppm誤差。DTR2 是一個符號位，1為正ppm補償，0為負(fù)補償。DTR1和DTR0是刻度位，DTR1給出的是10ppm調(diào)整，DTR0給出的是20ppm調(diào)整。通過這三位可以在-30ppm 至 +30ppm范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整補償。模擬微調(diào)寄存器ATR（地址0012H）的第5至第0位ATR5、ATR4……和ATR0用來調(diào)整片內(nèi)負(fù)載電容。ATR 值以補碼形式表示，ATR（000000）=11.0pF ，每步調(diào)節(jié)0.25pF ，整個調(diào)整范圍從3.25pF至18.75Pf?？梢詫︻~定頻率提供從+116ppm至-37ppm的補償。通過對DTR及ATR的調(diào)整，可以在+146ppm至-67ppm范圍內(nèi)調(diào)整補償。

2．2 自動校準(zhǔn)電路

自動校準(zhǔn)電路由接收中央人民廣播電臺信號電路和音頻鎖相環(huán)路組成。

接收電路是由一片調(diào)頻收音機集成電路TDA7010T和少量分離元件組成。TDA7010T集成電路內(nèi)部含有變頻、中頻濾波、鑒頻和前置放大等電路[2]。用于接收中央人民廣播電臺106.1MHz的信號，并將其解調(diào)出音頻信號。

鎖相環(huán)路是由兩片NE567及外圍電路組成。該電路所完成的任務(wù)是鎖定來自接收電路的音頻信號中800Hz和1600Hz兩個頻率的報時信號。即將報時音頻信號轉(zhuǎn)換成負(fù)脈沖信號,給單片機提供外部中斷，經(jīng)中斷程序分析后對時鐘進(jìn)行自動校準(zhǔn)，如圖2所示。圖中只畫出兩片NE567中鎖定800Hz音頻信號的部分。NE567由鑒頻器（PDI）、直流放大器（A1）、電流控制振蕩器（CCO）、正交鑒頻器（PDII）及與外部電容C17、C18構(gòu)成的兩個濾波器組成[3]。NE567的5、6腳外接的電容CT和電阻RT =R2+R3決定著CCO的振蕩頻率f0(800Hz或1600Hz)，f0≈1.1/(RTCT) 。選擇CT=0.1μf ，對于圖中f0=800Hz的電路，RT≈13.7KΩ;圖中未畫出的負(fù)責(zé)鎖定1600Hz音頻信號的電路, RT≈6.8KΩ 。

當(dāng)NE567的3腳接收到的音頻信號中不含有頻率為f0（800Hz和1600Hz）或帶寬內(nèi)的信號時，則鎖相環(huán)路始終不能進(jìn)入鎖定狀態(tài)。若音頻信號中含有頻率為f0或帶寬內(nèi)的信號時，則在鎖相環(huán)路中鑒頻器PDI輸出的電壓經(jīng)內(nèi)部電阻r2及外部電容C18所組成的環(huán)路濾波器濾波后，加到直流放大器A1上。 A1輸出電流來控制CCO振蕩頻率的變化。從而使CCO振蕩頻率在一定范圍內(nèi)向輸入音頻信號的某些頻率靠攏。達(dá)到鎖定后，環(huán)路被穩(wěn)定下來。NE567內(nèi)部正交鑒頻器PDII在鎖相環(huán)路的捕獲過程中，不斷地接收CCO輸出的信號和外部輸入信號，隨著兩信號頻率的逐步接近，其輸出電壓逐漸變小。當(dāng)鎖相環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)時，這個電壓降低到小于Ur，A2輸出低電平，引起單片機中斷。