基于单片机晶振的守时研究(4)

对秒脉冲的响应时间出现延迟[8]；另一方面也可能使得提取计算机时间时，读取计数器值的过程存在延迟，即在主机内部产生的粗差更多的表现为延时；主机外部产生的粗差，有可能是晶振或单片机计数器的粗差，或者是单片机响应的粗差，对单片机响应产生的粗差也表现为延迟，而晶振或单片机计数器的粗差则可能为超前或者延迟。粗差数据的特点是：在连续多个正常的数据中，突然出现1个异常的数据，使得该数据与前一个数据之间的时间段及该数据与后一个数据之间的时间段与正常2个数据间的时间段之差明显比较大，而且这2个异常钟差的平均值与正常的钟差相差很小。如表1所示，加粗的第3个数据为提取的粗差数据。该数据与前一个数据之间的时间段为1.004 560 40，该数据与后一个数据之间的时间段为0.995 320 80，正常的2个数据之间的时间段为0.999 974 70，前后2个时间段与正常时间段相差都比较大，分别为0.004 585 70和－0.004 653 90，而前后2个时间段的平均值与正常值相差很小，为3.4e-5。根据这一特点，即可将大量时间数据中的粗差剔除掉。表1 时间数据中的粗差序号 计算机时间／s 晶振时间／s 1 702. 3182 703. 3193 704. 3204 705. 3215 706. 322如果粗差数据为延迟产生，则该数据与前一个数据之间的时间段较大，后一个时间段较小，如果粗差数据为超前产生，则该数据前一个时间段较小，而后一个时间段较大。经过对大量数据的分析，粗差数据点处总是前一个时间段大于后一个时间段，因此可以认为粗差均是由于延迟产生的，而不是晶振或计数器的不稳定。该守时系统是较稳定的。3.2 钟差钟速计算在连续多天的比时数据中，选取其中1天的数据进行处理和分析。利用式（4）分别计算每小时的钟差和钟速，如图4和图5所示，计算时使用每小时的前100s的数据。可以看出，钟差随着时间增长而线性增加，而25个h的秒钟速非常稳定，变化不超过0.5e-6s／s。为了分析每个小时内钟速的变化，计算小时内每秒的秒钟速的中误差。经过计算，24h内钟速中误差均不超过0.4μs，而且比较稳定，大部分变化量不超过0.1μs。3.3 精度评价基于晶振和计数器的时钟的时间分辨率与晶振的频率和计数器的机器周期有关。设晶振频率为f，计数器机器周期为n，则时间分辨率为Δt＝n／f。51单片机的机器周期为12，使用24M的晶振时，则时间分辨率为0.5μs。时钟优劣的主要表征量为钟速。对于野外天文测量来说，对时钟的要求是一定时间内小时钟速互差不超过一定的值。一等天文测量要求10h内的小时钟速互差不超过5ms，二等天文测量要求10h内的小时钟速互差不超过10ms。按照式（2）计算24h中每小时的小时钟速，如图6所示。图6 每小时的小时钟速可以看出，24h内，小时钟速互差不超过1ms，满足一等天文测量对时间的要求。通过与高精度时钟的时间比对，可以确定1个时钟的钟差钟速。时间比对的时间也可以反映时钟的稳定性。为此分析确定晶振时间必需的比时时间。从起始时刻开始，选取不同时间内的数据计算钟速，分析不同时间内钟速的稳定性，以确定需要经过多长的比时时间来计算钟差和钟速。采用不同长度时间比时的数据计算的钟速及钟速中误差如表2所示。其中钟速单位为s／h，中误差单位为μs／h。表2 比时结果比时时间30m 10m 5m 2m 30s钟速0.0750 0.0751 0.0757 0.0767 0.0856中误差24.47 23.06 24.43 23.79 35.78由表2可以看出，当采用2min以上的数据时，就可以计算出稳定的钟速。因此，只要比时时间超过2min，即可精确的测定该时钟的钟速。为了验证晶振时间的稳定性，根据第一个h前2min的数据计算钟差和钟速，并根据此钟差钟速值和后续24h的晶振时间来外推后续24h的准确时间。经过计算，第一个h的钟差为33.622 393 92s，钟速为－2.076 598 69e－5s／s。由式（3）可以外推后续24h内任意时刻的正确时间。计算的每h结束时刻的外推时间和准确时间的误差如图7所示。图7 25h结束时刻外推时间与准确时间之差对25个h时段的最后时刻进行计算，外推时间与准确时间之差的绝对值最大的为0.95ms。4 结 论由本文的实验和分析，对基于普通晶振和51单片机构成的守时系统可以得出以下结论：1）25个h的秒钟速非常稳定，变化不超过0.5μs；2）24个h的小时钟速互差不超过1ms；3）经过2min的时间比对即可准确计算时钟的钟速钟差，利用该钟速钟差进行时间外推，在24h以内误差不超过1ms。综上所述，基于普通晶振和51单片机构成的守时系统可以满足一等天文测量对时间的要求。这一结论对野外天文测量的守时系统的微型化很有意义。参考文献[1]党力

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