隨著國家電網(wǎng)公司(以下簡稱國網(wǎng))智能電表的招標(biāo),，電表廠商之間的競爭日趨激烈，生產(chǎn)成本成為他們最關(guān)心的問題之一,，只有降低成本才有可能在低價競爭中占據(jù)有利地位,，逐步提高利潤,。這使得SoC成為關(guān)注的焦點。

　　從目前國網(wǎng)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(qū)動。ESAM安全芯片由于安全需要為國網(wǎng)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(wǎng)對此態(tài)度較為審慎,，短時間難有突破,。所以目前比較務(wù)實的SoC方案是將LCD驅(qū)動和實時時鐘芯片集成進(jìn)去。LCD驅(qū)動大部分IC廠商均有類似產(chǎn)品,，并不存在技術(shù)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,、Intersil 12020M,、美信DS3231，單價均在7元以上,，價格較貴,，但其性能指標(biāo)較高，-40℃~85℃范圍內(nèi),，精度優(yōu)于0.432s/d,，遠(yuǎn)高于國網(wǎng)要求的-25℃~60℃，1s/d的要求,。要在SoC芯片中實現(xiàn)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(jù)時鐘源的特性做出補(bǔ)償機(jī)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(chǎn)工藝的偏差導(dǎo)致常溫下的頻率發(fā)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(fā)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(yīng)控制在晶振可接受的范圍內(nèi)，對于常用的32768音叉晶振,，激勵功率應(yīng)小于1μW,；

　　負(fù)載電容：包括外接的負(fù)載電容和PCB雜散電容。負(fù)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(tài)等效電容，C0為晶體的靜態(tài)電容,，CL為外接負(fù)載電容,。

　　隨著國家電網(wǎng)公司(以下簡稱國網(wǎng))智能電表的招標(biāo)，電表廠商之間的競爭日趨激烈,，生產(chǎn)成本成為他們最關(guān)心的問題之一,，只有降低成本才有可能在低價競爭中占據(jù)有利地位，逐步提高利潤,。這使得SoC成為關(guān)注的焦點,。

　　從目前國網(wǎng)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(qū)動,。ESAM安全芯片由于安全需要為國網(wǎng)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(wǎng)對此態(tài)度較為審慎，短時間難有突破,。所以目前比較務(wù)實的SoC方案是將LCD驅(qū)動和實時時鐘芯片集成進(jìn)去,。LCD驅(qū)動大部分IC廠商均有類似產(chǎn)品，并不存在技術(shù)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,、Intersil 12020M、美信DS3231,，單價均在7元以上,，價格較貴，但其性能指標(biāo)較高,，-40℃~85℃范圍內(nèi),，精度優(yōu)于0.432s/d，遠(yuǎn)高于國網(wǎng)要求的-25℃~60℃,，1s/d的要求,。要在SoC芯片中實現(xiàn)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(jù)時鐘源的特性做出補(bǔ)償機(jī)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(chǎn)工藝的偏差導(dǎo)致常溫下的頻率發(fā)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(fā)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(yīng)控制在晶振可接受的范圍內(nèi),，對于常用的32768音叉晶振,，激勵功率應(yīng)小于1μW；

　　負(fù)載電容：包括外接的負(fù)載電容和PCB雜散電容,。負(fù)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(tài)等效電容,，C0為晶體的靜態(tài)電容,，CL為外接負(fù)載電容,。

　　常見的補(bǔ)償機(jī)制分為模擬方法和數(shù)字方法

　　模擬方法主要原理是利用負(fù)載電容對頻率的影響來實現(xiàn)，通過增加和減少負(fù)載電容來達(dá)到補(bǔ)償頻率偏移的目的,。這種方法的優(yōu)點在于補(bǔ)償?shù)膶崟r性,，補(bǔ)償后的每個32768kHz時鐘都是準(zhǔn)確的。但缺點也很明顯,，補(bǔ)償?shù)姆秶邢蓿娙萏蠡蛱《紝矸€(wěn)定性問題,；補(bǔ)償?shù)姆蔷€性以及補(bǔ)償效果與晶體本身的CM有關(guān),，這將帶來批量調(diào)節(jié)的復(fù)雜性。

　　常用的數(shù)字補(bǔ)償機(jī)制為TTF(數(shù)字脈沖吞吐法),，通過吞吐時鐘的個數(shù)來達(dá)到對計時精度的補(bǔ)償,。比如，對于32768Hz時鐘源,，通常只需要數(shù)32768個脈沖,，就可輸出精確的1Hz信號，但當(dāng)時鐘源振蕩頻率由32768Hz變大為32769Hz時,，仍按32768個脈沖計數(shù)輸出1Hz信號顯然會偏快,。這時可以通過增加1個脈沖即數(shù)32769個脈沖再輸出1Hz，這時的1Hz就是精確的了,。補(bǔ)償?shù)木葹?/32768=30.5PPM,。如果需要提高補(bǔ)償精度可以有兩種辦法：1) 增加吞吐脈沖數(shù)的周期時間，如由1s增加至60s,，此時調(diào)節(jié)精度變?yōu)?/32768/60=0.51PPM,，但實時性降低；2) 提高吞吐脈沖的頻率,，如內(nèi)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(bǔ)償精度可達(dá)到0.305PPM,，但這樣會帶來功耗的增加,。數(shù)字補(bǔ)償方法的優(yōu)點是不需要改變振蕩器本身，其補(bǔ)償范圍大,，又不會帶來穩(wěn)定問題,，補(bǔ)償效果確定，與晶體特性無關(guān),。缺點是補(bǔ)償?shù)膶崟r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(yīng)用場合功耗考慮，大多采用模擬方法與數(shù)字低頻時鐘方法相結(jié)合的方法來實現(xiàn)實時性和功耗平衡,，其缺點是工廠調(diào)校較多,。而在智能電表特定應(yīng)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(bǔ)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(wěn)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(jìn)行輸出補(bǔ)償，這便使得全數(shù)字補(bǔ)償成為可能,。

　　本文采用的方式就是全數(shù)字補(bǔ)償方式,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

　　該系統(tǒng)采用的是中穎電子為國網(wǎng)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(diào)試,；

　　64KB FLASH程序存儲空間,；

　　256B IRAM，2816 XRAM,；

　　3路UART接口,，一路內(nèi)置紅外調(diào)制電路；

　　3路定時器,，2路PWM,，可用來產(chǎn)生ESAM和CPU卡時鐘；

　　硬件IIC接口,，方便與LCD,，EEPROM通訊；

　　內(nèi)置4通道10 bit ADC,，可內(nèi)部直接測量電池電壓,；

　　帶補(bǔ)償?shù)凸挠布崟r時鐘；

　　內(nèi)置高速PLL,；

　　內(nèi)置掉電檢測基準(zhǔn)源,，方便準(zhǔn)確檢測外部掉電；

　　內(nèi)置電源切換電路,；

　　內(nèi)置4*39 LCD driver,；

　　支持ISP。

　　從資源上看,，SH79F6431完全可以滿足國網(wǎng)單相電能表的應(yīng)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(fù)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(bǔ)償機(jī)制,。在保證市電供電情況下，每個秒脈沖都準(zhǔn)確穩(wěn)定,，而且用戶接口統(tǒng)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(huán)境溫度的測量,?？紤]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(tài)電阻的要求。

　　振蕩器選用Seiko VT-200F及12pF,，電容應(yīng)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(bǔ)償方法如下：

　　工藝和負(fù)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(jù)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(bǔ)償值,，與常溫補(bǔ)償值和溫度補(bǔ)償值代數(shù)求和后,，寫入RTCDATA，每年補(bǔ)償一次,。

　　溫度的影響：

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

　　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(jìn)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(bǔ)償動作在市電供電下，可一分鐘進(jìn)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(bǔ)償?shù)能浖鞒倘鐖D5所示,。

　　本文小結(jié)

　　基于SH79F6431的內(nèi)置RTC補(bǔ)償SoC方案，簡單易行,，無需復(fù)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(chǎn)驗證,，性能可優(yōu)于國網(wǎng)要求,，全溫度范圍內(nèi)，達(dá)到±0.3s/d,，補(bǔ)償效果關(guān)鍵取決于測溫精度和物料的一致性,。