如何利用RTC秒上升沿的原理设计一种低功耗、高精确时钟同步方案

时钟同步的应用广泛，但常规的时钟同步方案或对终端设备要求高，或原理相对复杂。对此，本文利用大普的RTC秒上升沿即时生效原理，设计一种低功耗、高精确时钟同步方案。

时钟同步的应用涵盖通信、交通、电力、视频、医疗、金融、教育等领域，在低功耗的设备上提高时钟的同步精度具有较高的应用价值。

1.   时钟同步的概念及精度影响因素

时钟同步，也称为时间同步或对钟，是确保多个终端设备与时钟源的时间保持一致的过程。时钟同步的目的是为了消除时钟偏差，从而实现精确计时或者多终端协调操作。

时钟同步的精确性主要受三个方面影响——主设备（时钟源）时钟精度、传输途径和从设备（终端）时钟调整分辨率。时钟源一般选择时钟服务器或者GNSS，对于要求不高的局域组网，主设备甚至可以通过系统时钟自己生成参考时钟。传输途径的影响可大可小，在传输途径相对一致的情况下，它的影响较小甚至可以忽略。本文仅探讨传输途径一致的情况，因此，从设备（终端）时钟调整分辨率是整个同步网络的关键，决定了整个系统同步精度，是设计环节的着力点。

2.   时钟同步的设计原理

为了方便测试，以下使用大普时钟服务器DP4000[1]作为时钟源。RTC使用大普INS5T8900[2]，与MCU一起组成从设备。

MCU从时钟服务器获得TOD信息和1PPS信号，再根据系统同步指令，通过IIC接口对RTC进行设置，最终达到RTC的时间和服务器时间同步的目的。

市场上RTC的时间寄存器分辨率一般精确到秒，但本文将探讨基于RTC，如何进行毫秒甚至微秒级别的时钟同步设置。其主要原理是利用大普的RTC秒上升沿即时生效原理——即秒上升沿会移动到秒设置生效的位置，当MCU捕捉到时钟服务器输出1PPS上升沿时，对RTC进行秒的写操作，即能实现精准时钟同步。工作原理框图见图1。

图1 同步原理框图

3.   时钟同步的具体实现

基于上述原理，理想的设置状况是指令即时生效，但实际使用过程中每个环节都会有误差。要达到更高精度的时钟同步，需要尽可能减少同步误差。

3.1误差确认

减少误差需要先分析和确认误差。如图2所示，图中T1是MCU软件操作时延和IIC指令时延，主要和单片机以及IIC速率有关系。硬件和软件系统确定后，T1即为固定值。T2是IIC操作生效到秒上升沿变化时间差，是RTC同步误差，主要由RTC内部逻辑电路确定，也是固定值。T3为T1和T2之和，即总误差。

图2 误差确认

3.2误差校准

确认误差之后，需要对误差进行校准。如上文所述，总误差为固定值T3，那么校时起点若相对于GPS/BDS秒上升沿提前T3，就能实现精准的秒上升沿同步。如图3所示。

图3 误差校准

4.   时钟同步的测试验证

按照以上原理进行了测试验证。实际测试结果显示，经过误差校准后，RTC输出的1PPS（绿色）和服务器输出的1PPS（黄色）同步精度非常高，相位偏差在±10us[3]内，实现了微秒级别的时钟同步。

图4 校准后实测

综上所述，大普的RTC INS5T8900，采用秒上升沿即时生效原理，实现了低功耗精准时钟同步。结合大普RTC配置灵活、可定制化设计等特点，越来越多的应用场景将被挖掘和实现。

注[1]：大普的时钟服务器-DP4000关键特性：

（1）支持GNSS

（2）GPS/BDS/GLONASS/Galileo

（3）支持IEEE1588v2、1PPS、频率输入等多种参考源

（4）全协议支持 IEEE1588v2、NTP、SyncE

（5）满足PRTC-B标准

（6）频率准确度：±1.0E-12（跟踪卫星）

（7）支持128/256个从时钟

（8）相位精度: ±20ns/±50ns（跟踪卫星）

（9）保持能力:± 1.5μs/24 小时 (△T=±10℃)

（10）多种接口类型，接口可定制

注[2]：大普的RTC-INS5T8900关键特性：

（1）低功耗：1.0uA(典型)

（2）超高稳定度：

         ±3.4ppm @ -40℃～+85℃

（3）内置晶体：32.768kHz

（4）内置温度传感器

（5）通信接口类型：I2C总线接口

（6）电压输入范围：1.6V ～ 5.5V

（7）温度范围：-40℃～+85℃

（8）可配置输出，如1PPS等

（9）封装尺寸：3.2* 2.5*1.0mm

  注[3]：不同设计方案实际测试精度有差异，本测试值仅供参考。

审核编辑：刘清