STM32F101xx and STM32F103xx RTC 校準(zhǔn)

AN2604
應(yīng)用筆記
STM32F101xx and STM32F103xx RTC 校準(zhǔn)
總體介紹
實(shí)時(shí)時(shí)鐘在很多嵌入式應(yīng)用中是必不可少的，但是由于外部環(huán)境溫度的改變，驅(qū)動(dòng)RTC的晶體頻率會(huì)發(fā)生變化，因此RTC就沒有預(yù)想的那么準(zhǔn)確了！
STM32F101xx and STM32F103xx附帶有數(shù)字時(shí)鐘校準(zhǔn)電路，因此可以適應(yīng)與變化的環(huán)境，它主要是來補(bǔ)償晶體由于環(huán)境的變化，這篇應(yīng)用筆記主要討論了RTC校準(zhǔn)的基本原理以及解釋了如何利用RTC校準(zhǔn)來提高計(jì)時(shí)精度。
1 RTC校準(zhǔn)基本原理
1.1 晶體的準(zhǔn)確性
在很多計(jì)時(shí)領(lǐng)域，通常都是用“石英精確度”這么一個(gè)術(shù)語來描述的，石英晶體振蕩器提供了一個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他類型振蕩器的精確度，但是它并不是完美的，石英晶體振蕩器對溫度十分敏感， Figure 1 展示了一個(gè)32.768HZ晶體的頻率精確度（acc）和溫度（T）以及曲率（K）的關(guān)系，這個(gè)曲線可以用下面的公式給出：
注：曲率K由于不同的晶體而不同，這里是針對 STM3210B-EVAL開發(fā)板來說的，關(guān)于這部分可以參考相關(guān)晶體制造商提供的詳細(xì)信息。
在很多應(yīng)用領(lǐng)域需要一個(gè)高準(zhǔn)確度的時(shí)鐘，但是在實(shí)際中有好多綜合因素限制著精度的提高，通常，典型的方法是通過調(diào)節(jié)晶體的負(fù)載電容來調(diào)節(jié)精度，這一方法，雖然十分有效，但是也存在這一些缺點(diǎn)：
1 它需要多加一個(gè)外部器件（可調(diào)電容）。
2 其增大了電流消耗（這在電池供電的場合尤為突出）。
取代這種傳統(tǒng)的模擬的方法，STM32F10xxx系列提供了一個(gè)數(shù)字校準(zhǔn)器，允許用戶用軟件控制的方法進(jìn)行校準(zhǔn)，非常的好用！
1.2 具體方法
STM32F10xxx 的RTC模塊是用一個(gè)32768HZ的通常石英晶體驅(qū)動(dòng)的，其實(shí)石英晶體是一種能夠提供非常固定頻率的，但是有以下兩種情況導(dǎo)致了其頻率的不穩(wěn)定：
1 溫度變化； 2 晶體本身的變化。前面講述了一般通常的方法都是用一個(gè)麻煩的可調(diào)電容來補(bǔ)償誤差，這里STM32F10xxx 使用的是一個(gè)周期計(jì)數(shù)器來進(jìn)行校正，這個(gè)數(shù)字校正器通過從220個(gè)時(shí)鐘周期中減去0到127個(gè)周期的方法來校正的，如圖所示：
究竟有多少個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍是空白的取決于最近一次向備份寄存區(qū)域RTC校準(zhǔn)寄存器最后七位加載的值， 之所以這個(gè)校準(zhǔn)寄存器放在備份區(qū)域是因?yàn)檫@個(gè)寄存器即使在系統(tǒng)掉電情況下仍然可以通過后備電池進(jìn)行供電（譯者注：如果后背電池也掉電，當(dāng)然這個(gè)寄存器的值也會(huì)丟失的），注意：從上圖中可以看出時(shí)鐘輸出引腳是在校準(zhǔn)之前的頻率，所以這個(gè)值是不會(huì)被校準(zhǔn)所改變的，盡管已經(jīng)進(jìn)行了校準(zhǔn)，但是這個(gè)輸出是在校準(zhǔn)之前的頻率。
每一個(gè)校準(zhǔn)節(jié)拍將會(huì)從220個(gè)時(shí)鐘周期中減去一個(gè)周期，這意味著每一個(gè)校準(zhǔn)節(jié)拍將會(huì)有0.954PPM的調(diào)整值（譯者注：Ppm指的是每百萬個(gè)赫茲會(huì)偏移多少赫茲，即真實(shí)頻率值為標(biāo)稱頻率值加上或者減去百萬分之一的XXX，其中XXX指的是晶體廠商提供的頻率穩(wěn)定度），結(jié)果，振蕩器將會(huì)減慢0到121個(gè)ppm，下面的一個(gè)表格顯示了當(dāng)校準(zhǔn)寄存器變化一位是會(huì)變化多少個(gè)ppm或者說30天中會(huì)放慢多少秒：




上面所描述的都是基于一下條件的：
STM32F10xxx RTC的數(shù)字校準(zhǔn)電路只是從晶體時(shí)鐘周期里減去了若干個(gè)周期，而且RTC的預(yù)分頻器假定設(shè)置為32768，所以說時(shí)鐘快于32868HZ的晶體可以被校準(zhǔn)，而慢于32768HZ的晶體不能被校準(zhǔn)，因此校準(zhǔn)范圍是32772HZ 到32768HZ（譯者注：為什么是32772呢，因?yàn)樽畲蟮男?zhǔn)PPM是121，121的意思是一百萬HZ時(shí)候會(huì)變化（調(diào)整）121HZ，所以32768HZ時(shí)候便可以調(diào)整{32768*（121/10 00000）}即：3.964ＨＺ，將近4ＨＺ，而且這個(gè)校準(zhǔn)只是調(diào)慢的，所以能夠從32772HZ校準(zhǔn)到32768HZ，所以是32772）。
前面我們所講的都是以預(yù)分頻為32768，但是晶體頻率范圍是變化的，所以當(dāng)晶體頻率快于32768HZ是可以被校準(zhǔn)的（可以放慢），但是當(dāng)晶體頻率慢于32768HZ呢？雖然不能被校準(zhǔn)，但是并不是無能為力，我們可以把校準(zhǔn)預(yù)分頻器改為32766，這樣只要晶體頻率不低于32766HZ就可以校準(zhǔn)了，這樣總的可以校準(zhǔn)（放慢）{32766*（121/10 00000）}即3.96HZ，也將近４ＨＺ，于是調(diào)整范圍就變成了（32766HZ到32770HZ）。
注：在這篇應(yīng)用筆記中，默認(rèn)都是預(yù)分頻位32766。
2 計(jì)算校準(zhǔn)偏差量
對于一個(gè)給定的應(yīng)用，如何確定我們所需要的校準(zhǔn)值呢？這里有一個(gè)很好的方法就是利用到了RTC的時(shí)鐘輸出模式，就是如上圖2所示的器件提供了一個(gè)RTC時(shí)鐘經(jīng)過一個(gè)64分屏器輸出的的信號，這個(gè)信號可以用來精確的測量晶體產(chǎn)生的頻率，如果是準(zhǔn)32768ＨＺ時(shí)，輸出正好是５１２ＨＺ。
　　　這個(gè)方法我們可以分一下幾步來做：
第一步：使能ＬＳＥ，并且將ＬＳＥ作為ＲＴＣ時(shí)鐘，然后使能ＲＴＣ；
第二步：使能ＲＴＣ時(shí)鐘經(jīng)過６４分頻輸出，然后在器件的ANTI_TAMP 管腳就可以測得頻率輸出，不過這需要設(shè)置一下
BKP_RTCCR寄存器的CCO位，讓其置一使能輸出。
第三步：算出晶體頻率偏差多少個(gè)ppm，怎么算呢？因?yàn)槲覀兦懊嬲f過，校準(zhǔn)值是32766，因而理論上64分頻后輸出為511.968ＨＺ，所以我們將實(shí)際測量出來的頻率作出與理論值的差值，然后將這個(gè)差值轉(zhuǎn)化為ppm，如何轉(zhuǎn)化成ppm，知道ppm定義之后就可以知道，ppm是每一百萬赫茲所偏差的赫茲數(shù)，那現(xiàn)在相對511.96875的偏差值的ppm就可以計(jì)算出來了：△f(HZ)*10 00000.
第四步：到表中去找同計(jì)算結(jié)果最相近的ppm數(shù)所對應(yīng)的校準(zhǔn)值寫入寄存器就可以了！
注意：讓RTC分頻32766，它的分頻寄存器里面要寫32765的，因?yàn)樗?jì)數(shù)到0.
舉個(gè)例子：我們現(xiàn)在從ANTI_TAMP管腳測得頻率為： 511.982HZ，那么算出來同511.968HZ的偏差位0.14HZ,用上面公式換算出來為 27.35 ppm，在表中找到最近的為28ppm，得出的值寫入校準(zhǔn)寄存器，當(dāng)然，這里還有誤差0.65個(gè)ppm，由于表中給出了27個(gè)ppm的話每個(gè)月會(huì)誤差69秒，那么現(xiàn)在27.35大約誤差71秒左右，那么0.65ppm的話每個(gè)月只會(huì)誤差1.7秒左右了，所以說我們將27.35個(gè)ppm誤差降到0.65個(gè)ppm的結(jié)果是把每個(gè)月誤差69秒降到每個(gè)月誤差1.7秒左右了，已經(jīng)非常可觀。
注意：本方法由于是基于時(shí)鐘周期削去的方法校準(zhǔn)的，因此是針對長期進(jìn)行補(bǔ)償，在有限時(shí)間內(nèi)補(bǔ)償未必發(fā)生作用。
3 在溫度變化范圍上校準(zhǔn)
現(xiàn)在我們講在溫度變化方面如何計(jì)算校準(zhǔn)值，這一部分提供了這樣一個(gè)步驟來最大限度的降低在最大溫度變化范圍內(nèi)的頻率變化，這包括調(diào)整溫度曲線以至于讓它在0ppm邊緣有等量的誤差點(diǎn)，下圖3演示了如何將溫度變化帶來的頻率誤差減小到最?。?br />這個(gè)校準(zhǔn)公式為： ，式中變量如下：
acc:溫度轉(zhuǎn)變時(shí)的偏差，單位是ppm
K:曲率常量，值為-0.14ppm/℃
T0：溫度轉(zhuǎn)變時(shí)的攝氏度
T：工作環(huán)境的攝氏度
例如：一個(gè)器件在室溫時(shí)體現(xiàn)出來的是27ppm的偏差，但是應(yīng)用在40攝氏度的環(huán)境中，那么用這個(gè)等式就可以計(jì)算出來溫度轉(zhuǎn)變時(shí)的偏差為
因?yàn)榫绕剖?8ppm，那么依然從上表中可以找出校準(zhǔn)值為19。
4 結(jié)論
STM32F10xxx 的RTC數(shù)字時(shí)鐘校準(zhǔn)特性允許用戶以最低微的成本來調(diào)整時(shí)鐘的精度，這個(gè)特性也提供了一種方法和思路：那就是為什么溫度漂移也可以被校正或者說被預(yù)先估計(jì)出來，當(dāng)然啦，這一系列的數(shù)據(jù)和結(jié)論都是建立在分頻為32766（而不是32768）之上的（分頻寄存器里面寫32765）.