烟感探测器mcu的rtc校准电路及校准方法
阅读说明：本技术 烟感探测器mcu的rtc校准电路及校准方法 (RTC (real time clock) calibration circuit and method of smoke detector MCU (microprogrammed control Unit) ) 是由 侯晓峰 马彪 郭敬 彭永林 唐碧飞 于 2020-09-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种烟感探测器MCU的RTC校准电路及校准方法,烟感探测器MCU的RTC校准电路包括：频率误差检测子电路、频率误差补偿控制子电路、RTC计时子电路、15位异步分频器及周期中断控制器；所述频率误差检测子电路与所述频率误差补偿控制子电路电连接,所述频率误差补偿控制子电路与所述15位异步分频器电连接,所述15位异步分频器分别与所述周期中断控制器及所述RTC计时子电路电连接,所述周期中断控制器与所述RTC计时子电路电连接。本发明能够配合烟感探测器MCU是上位机在线时间及时修正由温度或者晶振固有误差等引起的RTC计时精度问题,可省去频偏-温度曲线测量成本及省去非易失性存储器空间,校准精度高。(The invention discloses a RTC calibration circuit and a calibration method of a smoke detector MCU, wherein the RTC calibration circuit of the smoke detector MCU comprises: the device comprises a frequency error detection sub-circuit, a frequency error compensation control sub-circuit, an RTC timing sub-circuit, a 15-bit asynchronous frequency divider and a periodic interrupt controller; the frequency error detection sub-circuit is electrically connected with the frequency error compensation control sub-circuit, the frequency error compensation control sub-circuit is electrically connected with the 15-bit asynchronous frequency divider, the 15-bit asynchronous frequency divider is respectively electrically connected with the periodic interrupt controller and the RTC timing sub-circuit, and the periodic interrupt controller is electrically connected with the RTC timing sub-circuit. The invention can be matched with the smoke detector MCU to correct the RTC timing precision problem caused by temperature or crystal oscillator inherent error in time on line by the upper computer, can save the measurement cost of frequency deviation-temperature curve and the space of nonvolatile memory, and has high calibration precision.)
技术领域
本发明涉及时钟校准技术领域，尤其涉及一种烟感探测器MCU的RTC校准电路及校准方法。
背景技术
如说明书附图2所示，传统实时时钟RTC电路校准方案一般通过在MCU芯片上集成一个温度传感器，并将RTC晶体振荡器的频偏-温度曲线函数写入到非易失性存储器中。MCU芯片需定时开启温度传感器，检测晶体振荡器的温度，并根据频偏-温度曲线计算出对应温度下的频率偏差，然后通过校正电路将该频率偏移误差校正回来。这种方式存在以下弊端：1)该温度补偿方法面临着晶体振荡器频偏-温度曲线一致性的问题和温度传感器精度影响的问题。2)由于晶体自身的年老化率，按照晶体厂家提供的数据，第一年晶体的最大老化率有±3PPM，以后每年约±1PPM。而此年老化率的影响存在正负区间内，无法在生产校准中解决。因此，发明一种可靠性高的烟感探测器MCU的RTC校准电路成为该领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种烟感探测器MCU的RTC校准电路及校准方法。
第一方面，本发明公开了一种烟感探测器MCU的RTC校准电路及校准方法，烟感探测器MCU的RTC校准电路包括：频率误差检测子电路、频率误差补偿控制子电路、RTC计时子电路、15位异步分频器及周期中断控制器；所述频率误差检测子电路与所述频率误差补偿控制子电路电连接，所述频率误差补偿控制子电路与所述15位异步分频器电连接，所述15位异步分频器分别与所述周期中断控制器及所述RTC计时子电路电连接，所述周期中断控制器与所述RTC计时子电路电连接。
优选地，所述频率误差检测子电路包括偏差计时器单元及偏差查找表硬件单元；所述偏差计时器单元分别与烟感探测器MCU及所述偏差查找表硬件单元电连接，所述偏差查找表硬件单元与所述频率误差补偿控制子电路电连接。
优选地，频率误差补偿控制子电路包括补偿参数寄存单元及误差补偿处理单元；所述补偿参数寄存单元与所述偏差查找表硬件单元及所述误差补偿处理单元电连接，所述误差补偿处理单元与所述15位异步分频器电连接。
优选地，所述RTC计时子电路包括APB总线接口、秒计时单元、分计时单元、时计时单元、日计时单元、周计时单元、月计时单元、年计时单元、周期中断控制器及闹钟中断控制器；所述秒计时单元、所述分计时单元、所述时计时单元、所述日计时单元、所述周计时单元、所述月计时单元、所述年计时单元分别与所述APB总线接口及所述周期中断控制器电连接，所述分计时单元、时计时单元及所述周计时单元分别与所述闹钟中断控制器电连接。
第二方面，本发明还公开了一种校准方法，包括第一方面所述的烟感探测器MCU的RTC校准电路，所述校准方法包括：
获取产生计时误差的第一间隔时间；
依据所述第一间隔时间获取需要调整的第一频率补偿值；
依据所述第一频率补偿值进行第一次校准；
将所述第一次校准的校准结果与预设的理想精度比较；
若未达到预设的理想精度，则获取产生计时误差的第二间隔时间；
依据所述第二间隔时间获取需要调整的第二频率补偿值；
依据所述第二补偿值进行第二次校准。
优选地，烟感探测器MCU的实时时钟采用32.768KHz的晶振时钟进行计数。
优选地，所述依据所述第一间隔时间获取需要调整的第一频率补偿值包括：
获取接收第一个校时命令的时间点a，并将所述时间点a作为所述第一时间间隔的起始点；
从所述起点a开始以小时计数，每接收一个校时命令则所述偏差计时器单元的计时数+1；
若在获取第N个校时命令的时间点b，所述RTC计时子电路检测到1S的计时误差，则将所述时间点b作为所述第一时间间隔的结束点；
获取所述时间点b与所述时间点a的差值c，依据所述差值c获取补偿目标值PPM；其中，所述差值c取整；
依据预设对应关系获取补偿目标值PPM所对应的第一频率补偿值CR。
优选地，所述预设对应关系的公式为：
其中，所述目标补偿值表示单位时间内需要补偿的频率误差；215为所述15位异步分频器在32.768KHz的晶振时钟下产生1S计时脉冲的转换进制单位，0001.00000B为CR值的零点调整数。
优选地，所述依据所述第一频率补偿值进行第一次校准包括：
获取在32.768KHz的晶振时钟下每秒补偿的第一补偿单位；
将32.768KHz的晶振时钟的补偿周期扩大32倍；
依据所述第一补偿单元获取扩大32倍补偿周期后获取每秒补偿的第二补偿单位；
将所述第一频率补偿值CR划分为整数部分和小数部分；
依据所述第二补偿单位依次对整数部分和小数部分进行第一次校准。
优选地，所述获取所述时间点b与所述时间点a的差值c，依据所述差值c获取补偿目标值PPM包括：
本发明公开的一种烟感探测器MCU的RTC校准电路具有如下有益效果，烟感探测器MCU的RTC校准电路包括频率误差检测子电路、频率误差补偿控制子电路、RTC计时子电路、15位异步分频器及周期中断控制器；所述频率误差检测子电路与所述频率误差补偿控制子电路电连接，所述频率误差补偿控制子电路与所述15位异步分频器电连接，所述15位异步分频器分别与所述周期中断控制器及所述RTC计时子电路电连接，所述周期中断控制器与所述RTC计时子电路电连接。所述频率误差检测子电路用于依据上位机在线时间检测产生计时误差的间隔时间，所述频率误差补偿控制子电路用于依据所述间隔时间获取需要调整的频率补偿值，所述15位异步分频器用于产生计时脉冲并配合频率误差补偿控制子电路进行频率补偿，所述周期中断控制器用于产生中断信号到烟感探测器MCU，烟感探测器MCU对RTC计时子电路进行中断服务控制。因此，本发明能够配合烟感探测器MCU的上位机在线时间及时修正由温度或者晶振固有误差等引起的RTC计时精度问题，可省去频偏-温度曲线测量成本及省去非易失性存储器空间，校准精度高，可靠性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图：
图1是本发明较佳实施例的烟感探测器MCU的RTC校准电路的电路框图；
图2是本发明较佳实施例的烟感探测器的结构框图；
图3是本发明较佳实施例的烟感探测器MCU的RTC校准电路的RTC晶体振荡器的频偏-温度曲线函数图；
图4是本发明另一较佳实施例的烟感探测器MCU的RTC校准电路的电路框图；
图5是本发明较佳实施例的烟感探测器MCU的RTC校准方法的RTC计时偏差时序图；
图6是本发明较佳实施例的烟感探测器MCU的RTC校准方法的流程图；
图7是本发明较佳实施例的烟感探测器MCU的RTC校准方法的所述依据所述第一间隔时间获取需要调整的第一频率补偿值的流程图；
图8是本发明较佳实施例的烟感探测器MCU的RTC校准方法的所述依据所述第一频率补偿值进行第一次校准的流程图。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明较佳实施例的如图1所示，包括频率误差检测子电路1、频率误差补偿控制子电路2、RTC计时子电路3、15位异步分频器4及周期中断控制器5；所述频率误差检测子电路1与所述频率误差补偿控制子电路2电连接，所述频率误差补偿控制子电路3与所述15位异步分频器4电连接，所述15位异步分频器4分别与所述周期中断控制器5及所述RTC计时子电路3电连接，所述周期中断控制器5与所述RTC计时子电路3电连接。所述频率误差检测子电路1用于依据上位机在线时间检测产生计时误差的间隔时间，所述频率误差补偿控制子电路2用于依据所述间隔时间获取需要调整的频率补偿值，所述15位异步分频器4用于产生计时脉冲并配合频率误差补偿控制子电路2进行频率补偿，所述周期中断控制器5用于产生中断信号到烟感探测器MCU，烟感探测器MCU对所述RTC计时子电路3进行中断服务控制。因此，本发明能够配合烟感探测器MCU的上位机在线时间及时修正由温度或者晶振固有误差等引起的RTC计时精度问题，可省去频偏-温度曲线测量成本及省去非易失性存储器空间，校准精度高，可靠性高。
优选地，请参阅图2，烟感探测器系统包括在线上位机及烟感探测器，所述在线上位机与所述烟感探测器通过通讯线路实现通信连接；所述烟感探测器包括MCU、通信端口、32.758K晶体、报警输出端口及其他***组件；所述通信端口、所述晶体及所述报警输出端口均与所述MCU电连接。在本实施例中，所述MCU接收到第一次校时命令，所述MCU通过所述通信端口接收所述上位机的在线时间，所述RTC校准电路中的频率误差检测子电路1第一次检测产生1S计时误差的间隔时间，进而算出需要调整的频率补偿值。所述频率误差补偿控制子电路2进行频率补偿后进行第二次检测1S计时误差的间隔时间，进一步修正频率补偿值，直到所述RTC计时子电路3的计时精度达到预设理想精度值。
优选地，所述频率误差检测子电路1包括偏差计时器单元及偏差查找表硬件单元；所述偏差计时器单元分别与烟感探测器MCU及所述偏差查找表硬件单元电连接，所述偏差查找表硬件单元与所述频率误差补偿控制子电路电连接。
优选地，在本实施例中，MCU软件需配合所述在线上位机完成频率补偿值检测。烟感探测器MCU在开始运行阶段，稳定运行一段时间后若收到第一次校时命令，则更新RTC时钟，记录下校时时间作为时间间隔的起点，此时时钟误差是0。在未产生1S计时误差的时间间隔周期内，若收到系统校时命令后，烟感探测器MCU并不更新RTC内部时间。直到检测到MCU内部RTC时钟与在线时钟产生1S计时误差时，此时间点为上一阶段的校时结束点同时也为下一校时的起始点。此时硬件电路算取产生1S计时误差的所述时间间隔的时长，并获取所述时间间隔对应的目标补偿值，给到所述频率误差补偿控制子电路进行下一阶段频率误差补偿，并更新RTC计时时间。
具体地，所述偏差计时器单元以小时计，当烟感探测器MCU接收到第一次校时命令后，所述偏差计时器单元的使能打开，系统更新RTC时钟，记录下校时时间作为时间间隔的起点，此时时钟误差为0；在所述RTC计时子电路3的缓存器计时时刻，如果下一次校时命令后系统没有检测到所述RTC计时子电路3产生1S计时误差，则偏差计时器自动(x+1)操作。其中，(x+1)的时间间隔所产生的计时误差小于1S。直到下一次校时命令后系统检测到所述RTC计时子电路3产生了1S计时误差时，则所述偏差计时器单元的偏差计数值传递给所述偏差硬件查找表单元，以获取对应的频率补偿值。同时，所述偏差计时器单元清零继续检测下一阶段1S计时误差的时间间隔的计时。在本实施例中，所述偏差硬件查找表单元以产生+/-1S计时误差时的偏差计时器的值为索引，电路硬件通过预设的对应关系算出频率补偿值给到所述频率误差补偿控制子电路。
优选地，频率误差补偿控制子电路2包括补偿参数寄存单元及误差补偿处理单元；所述补偿参数寄存单元与所述偏差查找表硬件单元及所述误差补偿处理单元电连接，所述误差补偿处理单元与所述15位异步分频器电连接。在本实施例中，所述补偿参数寄存单元用于寄存获取所述偏差查找表硬件单元的频率补偿值，所述误差补偿处理单元用于依据所述频率补偿值进行频率调整。
优选地，请参阅图2，所述RTC计时子电路包括APB总线接口、秒计时单元、分计时单元、时计时单元、日计时单元、周计时单元、月计时单元、年计时单元、周期中断控制器及闹钟中断控制器；所述秒计时单元、所述分计时单元、所述时计时单元、所述日计时单元、所述周计时单元、所述月计时单元、所述年计时单元分别与所述APB总线接口及所述周期中断控制器电连接，所述分计时单元、时计时单元及所述周计时单元分别与所述闹钟中断控制器电连接。
在另一个优选地实施例中，请参阅图4，所述频率误差检测子电路1可通过烟感探测器MCU的软件部分实现或者通过所述在线上位机的软件部分实现，也可达到在线误差检测的功能。
实施例二
本发明还公开了一种校准方法，请参阅图5，包括第一方面所述的烟感探测器MCU的RTC校准电路，所述校准方法包括：
S1、获取产生计时误差的第一间隔时间；
S2、依据所述第一间隔时间获取需要调整的第一频率补偿值；
S21、获取接收第一个校时命令的时间点a，并将所述时间点a作为所述第一时间间隔的起始点；
S22、从所述起点a开始以小时计数，每接收一个校时命令则所述偏差计时器单元的计时数+1；
S23、若在获取第N个校时命令的时间点b，所述RTC计时子电路检测到1S的计时误差，则将所述时间点b作为所述第一时间间隔的结束点；
S24、获取所述时间点b与所述时间点a的差值c，依据所述差值c获取补偿目标值PPM；其中，所述差值c取整；
优选地，所述获取所述时间点b与所述时间点a的差值c，依据所述差值c获取补偿目标值PPM包括：
具体地，在本实施例中，本发明的烟感探测器MCU的实时时钟采用32.768KHz的晶振时钟进行计数。从32.768KHz的晶振时钟获取接收第一个校时命令的时间点a，并将所述时间点a作为所述第一时间间隔的起始点；从所述起点a开始以小时计数，每接收一个校时命令则所述偏差计时器单元的计时数+1；在获取第N个校时命令的时间点b，所述RTC计时子电路检测到1S的计时误差，则将所述时间点b作为所述第一时间间隔的结束点在1S的计时误差。32.768KHz的晶振时钟的固有偏差为20PPM，温度偏差为80PPM，则初始偏差＝20PPM+80PPM＝100PPM。1S的计时误差产生约100PPM＝1/10000S误差，累计1S计时误差需耗时长T1＝1/100PPM＝10000S～＝2.78小时。所述在线上位机以1小时为校时命令间隔时间段，则取2.78小时＝3小时为累计1S计时误差的第一时间间隔，其中3小时＝3*60*60＝10800S，10800S产生1S偏差，那么目标补偿值＝1/10800*10的6次方＝92.59PPM。表示数字电路以查找表方式(小时为单位)查找到3小时的目标补偿值为92.59PPM，依据预设的对应关系将目标补偿值92.59PPM转换成所对应的第一频率补偿值CR，进行第一次校准。
S25、依据预设对应关系获取补偿目标值PPM所对应的第一频率补偿值CR。
优选地，所述依据所述第一间隔时间获取需要调整的第一频率补偿值包括：
优选地，所述预设对应关系的公式为：
其中，所述目标补偿值表示单位时间内需要补偿的频率误差；215为所述15位异步分频器在32.768KHz的晶振时钟下产生1S计时脉冲的转换进制单位。在本实施例中，目标补偿值PPM表示1S计时误差内需要补偿的频率误差，而实际上目标补偿值PPM＝(实际发振频率–目标频率)/目标频率*10的6次方。可以理解的是，代入公式可得，为需要补偿的时钟周期的个数。在本实施例中，0001.00000B为CR值的零点调整数，用于提高计算的准确性。得到需要补偿的时钟周期的个数后，再转换成所述频率误差补偿控制电路能够识别的四位整数+五位小数的二的补码，可补偿范围-272.6Pppm:+212.6ppm，所述频率误差补偿控制电路依据四位整数+五位小数的二的补码补偿相应的时钟周期个数。
S3、依据所述第一频率补偿值进行第一次校准；
优选地，所述依据所述第一频率补偿值进行第一次校准包括：
S31、获取在32.768KHz的晶振时钟下每秒补偿的第一补偿单位；
S32、将32.768KHz的晶振时钟的补偿周期扩大32倍；
S33、依据所述第一补偿单元获取扩大32倍补偿周期后获取每秒补偿的第二补偿单位；
优选地，烟感探测器MCU的实时时钟采用32.768KHz的晶振时钟进行计数。
优选地，在本实施例中，由于实时时钟采用32.768KHz的晶振时钟计数，若对每秒精度进行补偿时，只能依据32.768KHz的整数周期进行误差补偿，则在32.768KHz的晶振时钟下每秒补偿的第一补偿单位为(1/32768)*106＝30.5PPM，无法满足高精度的要求。本发明将32.768KHz的晶振时钟的补偿周期扩大32倍，即依据所述第一补偿单元获取扩大32倍补偿周期后获取每秒补偿的第二补偿单位，即30.5PPM/32＝0.96PPM。因此本发明在32.768KHz的晶振时钟下最小补偿单位为0.96PPM，即产生1s误差需时1/0.96PPM～＝290小时，补偿精度高，准确可靠。
S34、将所述第一频率补偿值CR划分为整数部分和小数部分；
S35、依据所述第二补偿单位依次对整数部分和小数部分进行第一次校准。
优选地，本发明的所述第一频率补偿值CR用二进制表示。举例来说，若在所述预设的对应关系中，目标补偿值为-11.29PPM，则代入所述预设的对应关系中CR值为：
随后在所述频率误差补偿控制子电路中依据以二进制表示的CR值进行频率误差补偿。在32.768KHz的晶振时钟中，谐振频率为32768，即单位时间S＝32768个时钟周期。本发明将32.768KHz的晶振时钟的补偿周期扩大32倍，因此本发明的补偿周期为32S＝32*32768个时钟周期。将所述第一频率补偿值CR划分为整数部分和小数部分。依据所述第二补偿单位依次对整数部分和小数部分进行第一次校准。即若整数部分为1，则对32S补偿周期的每一秒周期都进行补偿；若整数部分为0，小数部分为1，则依据小数的数值对32S补偿周期的0S-31S周期进行选择性补偿。
举例来说，CR＝0001.0000时，CR＝0001.0000为补偿零点，不需要补偿操作；
CR＝0001.0001时，减去补偿零点后，CR＝0000.0001，整数部分为0，小数部分为1，则在32S补偿周期的第一秒周期补偿1个时钟周期，第一秒周期补偿后为32769个时钟周期，第二秒到第三十二秒依然为32768个时钟周期；
CR＝0001.0010时，减去补偿零点后，CR＝0000.0010，整数部分为0，小数部分为2，则在32S补偿周期的第一秒周期和第二秒周期分别补偿1个时钟周期，第一秒周期和第二秒周期补偿后分别为32769个时钟周期，第三秒到第三十二秒依旧为32768个时钟周期；
CR＝0010.0010时，减去补偿零点后，CR＝0001.0010，整数部分为1，小数部分为2，则首先对32S补偿周期的每一秒周期都补偿1个时钟周期，再在32S补偿周期的第一秒周期和第二秒周期分别补偿1个时钟周期，补偿后第一秒周期和第二秒周期为32770个时钟周期，第三秒周期到第三十二秒周期为32769个时钟周期；
CR＝0011.0010时，减去补偿零点后，CR＝0010.0010，整数部分为2，小数部分为2，则首先对32S补偿周期的每一秒周期都补偿2个时钟周期，再在32S补偿周期的第一秒周期和第二秒周期分别补偿2个时钟周期，补偿后第一秒周期和第二秒周期为32772个时钟周期，第三秒周期到第三十二秒周期为32770个时钟周期。
S4、将所述第一次校准的校准结果与预设的理想精度比较；
S5、若未达到预设的理想精度，则获取产生计时误差的第二间隔时间；
S6、依据所述第二间隔时间获取需要调整的第二频率补偿值；
S7、依据所述第二补偿值进行第二次校准。
优选地，在本实施例中，在进行第一次校准后若未达到预设的理想精度，则获取产生计时误差的第二间隔时间进行第二次校准。32.768KHz的晶振时钟的第二次校准T2时间段产生1S偏差的时长为200小时，则通过查找表查找到200小时对应的目标补偿值为1.45PPM，依据预设的对应关系将目标补偿值1.45PPM转换成所对应的第一频率补偿值CR，依据第一频率补偿值CR进行第二次校准。本实施例的频率误差补偿控制电路可实现0.96ppm的高精度时钟误差补偿，产生1s误差需时1/0.96ppm～＝290小时。因此，直到生1S偏差的时长为大于290小时时，无需再做新的误差补偿值计算，直到由于环境温度或外部因素引起的阶段误差补偿时长小于289小时，则重新计算下一校时阶段的误差补偿值。因此，本发明补偿精度高。
综上所述，本发明所提供的烟感探测器MCU的RTC校准电路包括所述频率误差检测子电路1用于依据上位机在线时间检测产生计时误差的间隔时间，所述频率误差补偿控制子电路2用于依据所述间隔时间获取需要调整的频率补偿值，所述15位异步分频器4用于产生计时脉冲并配合频率误差补偿控制子电路2进行频率补偿，所述周期中断控制器5用于产生中断信号到烟感探测器MCU，烟感探测器MCU对所述RTC计时子电路3进行中断服务控制。因此，本发明依据准确的算法计算，配合烟感探测器MCU的上位机在线时间及时修正由温度或者晶振固有误差等引起的RTC计时精度问题，可省去频偏-温度曲线测量成本及省去非易失性存储器空间，校准精度高，可靠性高。
以上对本发明所提供的烟感探测器MCU的RTC校准电路进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。不应理解为对本发明的限制。