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摘要：时钟准确性对于智能表至关重要，本文结合单相智能表的一种实现方案，主要从硬件方面分析了影响时钟准确性的主要因素，探讨了增强时钟可靠性的一些实用措施。
关键词：智能表；RTC；可靠性
一、引言
智能电能表的安装使用是智能电网建设的基础环节，时钟超差已成为智能表故障的首要原因。本文主要从硬件设计方面，结合具体电表实现方案，分析了影响时钟准确性的主要因素，探讨了增强时钟可靠性的具体措施，对实际智能表的设计和生产具有一定参考意义。
二、影响时钟准确性的因素分析
时钟超差分为偏差和跳变，其中跳变又可分为乱码、归零、飞走、迟滞、停走5种情况。影响时钟准确性的因素主要有：晶振精度、Li/SOCl2电池电压滞后问题、I2C总线接口、噪声干扰问题4个方面。下面结合一些典型元器件作具体分析。
1.晶振精度
絕大部分RTC都需要从32.768kHz晶振中获取1Hz的时钟信号，影响晶振精度的环境因素有
1.1温度
温度是影响晶振精度最主要的因素，在整个温度范围内晶振精度呈抛物线型。
随着温度的上升/下降，晶振会产生几十PPM的频偏。
1.2老化
不同工艺生产的晶振老化程度有所不同，具体可参见产品手册，如EPSON C-005R，第一年因老化引起的最大频偏为±3PPM。
1.3负载电容
包括外接的负载电容和PCB寄生电容，负载电容是晶振厂商规定的参数，通常以pF为单位，匹配不当的负载电容可导致上百PPM的误差，
2.Li/SOCl2电池电压滞后问题
Li/SOCl2电池由于具有自放电率低、使用温度范围宽广、工作电压平稳、贮存时间长、能够连续供电电流小和短时脉冲电流等优点，作为RTC备用电池已在电能表中广泛使用。但Li/SOCl2电池由于自身的特性，在长期未放电时容易在锂电极表面生成钝化膜从而引起电压滞后问题，在主电源掉电的瞬间，备用电池无法及时提供RTC所需的电压电流，导致RTC不能正常工作，内部计时寄存器数据丢失。
3.I2C总线接口
一般RTC采用I2C总线作为外部访问接口，在电表实际应用中，往往是作为从设备和其他多个器件（如EEPROM、LCD驱动等）同时挂接在一条总线上，正常情况下，主设备通过不同地址正确访问从设备，在某些异常情况下，I2C总线会出现锁死现象，如果此时读取RTC数据，将产生异常。
4.噪声干扰问题
RTC的晶振输入端易受到噪声干扰而导致时钟异常。通常RTC晶振输入端有非常高的输入阻抗，PCB上大部分的信号都比晶振32.768Hz的频率要高很多，这些信号产生的尖峰噪声，很容易耦合到晶振输入端，导致时钟飞走。
三、可靠性设计探讨
1.保证晶振精度设计
1.1负载电容的选取
每个晶振都有所要求的负载电容（CL）才能实现精确的震荡频率，负载电容CL主要由外部调节电容（C1、C2）和PCB寄生电容（CS）组成，三者之间的关系可表示为：CL= （C1×C2）/（C1+C2）+ CS，PCB布线合理时CS一般取典型值3～5pF，CL为厂商要求的值（32.768kHZ典型值为6pF、12.5 pF），根据以上公式可以计算出C1、C2的大小。确定电容大小后，在精度和材质上最好选取为±5的COG电容，以减小电容误差和温漂对晶振精度的影响。在实际确定CL时，往往需要借助时钟分析仪或示波器以获得精确的匹配。
1.2提供准确的温度补偿
对晶振精度影响最大的因素是温度，如上文计算：如要满足国网规范要求的时钟精度，RTC晶振在参比温度下频偏应小于±5PPM，全温度下应小于±12PPM。即使采用市场上精度较高的±5PPM的晶振，在全温度下也不能满足国网规范要求，必须采用温度补偿。
目前智能表时钟采用的温度补偿方案主要有两种：1.采用集成温度补偿功能专用RTC，如RX-8025T，DS3231等，此类RTC内部集成有温补晶振（TCXO），在温度变化时可以对晶振频偏进行自动补偿；2.使用MCU（如FM3308）内嵌的实时时钟模块，此类MCU一般还具有温度测量功能，使用时通过一定的软件算法自行实现温度补偿。
2.改善Li/SOCl2电池电压滞后问题
改善由于Li/SOCl2电池电压滞后导致的时钟异常问题，可以有以下一些方法：
2.1电池选型
Li/SOCl2电池电压滞后现象是由于自身特性造成的，目前还无法避免。部分厂家通过研究，采用特殊的生产工艺或者添加某些活性物质，有效的延长了钝化膜的形成时间，减小了钝化膜的密度和厚度，在一定程度上改善了Li/SOCl2电池电压滞后现象。在电池选型时可以考虑选择这些厂家的产品。
2.2并联超级电容
超级电容不存在电压滞后现象，将超级电容与电池并联使用能有效的解决Li/SOCl2电池电压滞后问题。
3.I2C总线可靠性设计
当将RTC与其他器件在一起使用时，容易造成访问异常，因此在智能表方案设计时尽可能使RTC使用独立的I2C总线，如选择多I2C接口的MCU、使用软件模拟实现I2C、选用相同功能接口不同的器件等。如确实无法分开RTC时，需注意以下几点：
3.1.1上拉电阻RP的确定
为了获得稳定可靠的I2C通信，在多从设备一起使用时需要准确的计算上拉电阻的大小。
3.1.2锁死退出
I2C总线出现锁死，根本原因在于当从设备SDA输出数据为低电平时，SCL突然复位失去了时钟信号，如果此时由主设备模拟产生SCL信号，使得从设备能够完成数据输出，I2C总线自然也就退出锁死状态。由主设备模拟产生SCL信号，前提是MCU的SCL接口能够单独控制且可配置为GPIO，具体实现时需模拟产生9个时钟脉冲。
4.提高RTC振荡电路抗噪声干扰设计
通过PCB元器件合理布局和走线，使得RTC振荡电路尽量离开噪声源和减少耦合路径，具体方法可参考文献[2]，[2]中详细给出了RTC合理布局及走线注意事项，此处不再累述。
四、总结
本文主要是从硬件方面进行分析和探讨的，实际影响RTC时钟准确性的因素还有很多，软件方面如RTC操作方法、I2C软件模拟时序、数据校验方式等，生产工艺方面有晶振焊接温度和时间、超声波清洗、PCB加涂“三防漆”等，应急措施方面如通过MCU自身定时器建立备份时钟，定时和RTC同步，一般情况下以RTC时钟为准，异常时，用备份时钟恢复RTC时钟，或者采用擦写次数较多的FRAM定时存储RTC时钟，发生异常时，用存储时钟恢复RTC时钟等。
参考文献
[1]王幸之、王雷等.单片机应用系统电磁干扰与抗干扰技术.北京航空航天大学出版社.2006
[2]ST AN2867.Oscillator design guide for ST microcontrollers. STMicroelectronics 2010
[3]侯喆、何凯.由于IIC总线锁死引起的保护装置异常的问题分析.电力系统保护与控制 2010/4
[4]I2C总线技术规范.广州周立功单片机发展有限公司
[5]EPSON RX-8025T器件手册.ESPON TOYOCOM
[6]Seiko Epson Miniature Cylindrical Quartz Crystals Datasheet. Seiko Epson
[7]MAXIM DS3231 Datasheet. Maxim
关键词：智能表；RTC；可靠性
一、引言
智能电能表的安装使用是智能电网建设的基础环节，时钟超差已成为智能表故障的首要原因。本文主要从硬件设计方面，结合具体电表实现方案，分析了影响时钟准确性的主要因素，探讨了增强时钟可靠性的具体措施，对实际智能表的设计和生产具有一定参考意义。
二、影响时钟准确性的因素分析
时钟超差分为偏差和跳变，其中跳变又可分为乱码、归零、飞走、迟滞、停走5种情况。影响时钟准确性的因素主要有：晶振精度、Li/SOCl2电池电压滞后问题、I2C总线接口、噪声干扰问题4个方面。下面结合一些典型元器件作具体分析。
1.晶振精度
絕大部分RTC都需要从32.768kHz晶振中获取1Hz的时钟信号，影响晶振精度的环境因素有
1.1温度
温度是影响晶振精度最主要的因素，在整个温度范围内晶振精度呈抛物线型。
随着温度的上升/下降，晶振会产生几十PPM的频偏。
1.2老化
不同工艺生产的晶振老化程度有所不同，具体可参见产品手册，如EPSON C-005R，第一年因老化引起的最大频偏为±3PPM。
1.3负载电容
包括外接的负载电容和PCB寄生电容，负载电容是晶振厂商规定的参数，通常以pF为单位，匹配不当的负载电容可导致上百PPM的误差，
2.Li/SOCl2电池电压滞后问题
Li/SOCl2电池由于具有自放电率低、使用温度范围宽广、工作电压平稳、贮存时间长、能够连续供电电流小和短时脉冲电流等优点，作为RTC备用电池已在电能表中广泛使用。但Li/SOCl2电池由于自身的特性，在长期未放电时容易在锂电极表面生成钝化膜从而引起电压滞后问题，在主电源掉电的瞬间，备用电池无法及时提供RTC所需的电压电流，导致RTC不能正常工作，内部计时寄存器数据丢失。
3.I2C总线接口
一般RTC采用I2C总线作为外部访问接口，在电表实际应用中，往往是作为从设备和其他多个器件（如EEPROM、LCD驱动等）同时挂接在一条总线上，正常情况下，主设备通过不同地址正确访问从设备，在某些异常情况下，I2C总线会出现锁死现象，如果此时读取RTC数据，将产生异常。
4.噪声干扰问题
RTC的晶振输入端易受到噪声干扰而导致时钟异常。通常RTC晶振输入端有非常高的输入阻抗，PCB上大部分的信号都比晶振32.768Hz的频率要高很多，这些信号产生的尖峰噪声，很容易耦合到晶振输入端，导致时钟飞走。
三、可靠性设计探讨
1.保证晶振精度设计
1.1负载电容的选取
每个晶振都有所要求的负载电容（CL）才能实现精确的震荡频率，负载电容CL主要由外部调节电容（C1、C2）和PCB寄生电容（CS）组成，三者之间的关系可表示为：CL= （C1×C2）/（C1+C2）+ CS，PCB布线合理时CS一般取典型值3～5pF，CL为厂商要求的值（32.768kHZ典型值为6pF、12.5 pF），根据以上公式可以计算出C1、C2的大小。确定电容大小后，在精度和材质上最好选取为±5的COG电容，以减小电容误差和温漂对晶振精度的影响。在实际确定CL时，往往需要借助时钟分析仪或示波器以获得精确的匹配。
1.2提供准确的温度补偿
对晶振精度影响最大的因素是温度，如上文计算：如要满足国网规范要求的时钟精度，RTC晶振在参比温度下频偏应小于±5PPM，全温度下应小于±12PPM。即使采用市场上精度较高的±5PPM的晶振，在全温度下也不能满足国网规范要求，必须采用温度补偿。
目前智能表时钟采用的温度补偿方案主要有两种：1.采用集成温度补偿功能专用RTC，如RX-8025T，DS3231等，此类RTC内部集成有温补晶振（TCXO），在温度变化时可以对晶振频偏进行自动补偿；2.使用MCU（如FM3308）内嵌的实时时钟模块，此类MCU一般还具有温度测量功能，使用时通过一定的软件算法自行实现温度补偿。
2.改善Li/SOCl2电池电压滞后问题
改善由于Li/SOCl2电池电压滞后导致的时钟异常问题，可以有以下一些方法：
2.1电池选型
Li/SOCl2电池电压滞后现象是由于自身特性造成的，目前还无法避免。部分厂家通过研究，采用特殊的生产工艺或者添加某些活性物质，有效的延长了钝化膜的形成时间，减小了钝化膜的密度和厚度，在一定程度上改善了Li/SOCl2电池电压滞后现象。在电池选型时可以考虑选择这些厂家的产品。
2.2并联超级电容
超级电容不存在电压滞后现象，将超级电容与电池并联使用能有效的解决Li/SOCl2电池电压滞后问题。
3.I2C总线可靠性设计
当将RTC与其他器件在一起使用时，容易造成访问异常，因此在智能表方案设计时尽可能使RTC使用独立的I2C总线，如选择多I2C接口的MCU、使用软件模拟实现I2C、选用相同功能接口不同的器件等。如确实无法分开RTC时，需注意以下几点：
3.1.1上拉电阻RP的确定
为了获得稳定可靠的I2C通信，在多从设备一起使用时需要准确的计算上拉电阻的大小。
3.1.2锁死退出
I2C总线出现锁死，根本原因在于当从设备SDA输出数据为低电平时，SCL突然复位失去了时钟信号，如果此时由主设备模拟产生SCL信号，使得从设备能够完成数据输出，I2C总线自然也就退出锁死状态。由主设备模拟产生SCL信号，前提是MCU的SCL接口能够单独控制且可配置为GPIO，具体实现时需模拟产生9个时钟脉冲。
4.提高RTC振荡电路抗噪声干扰设计
通过PCB元器件合理布局和走线，使得RTC振荡电路尽量离开噪声源和减少耦合路径，具体方法可参考文献[2]，[2]中详细给出了RTC合理布局及走线注意事项，此处不再累述。
四、总结
本文主要是从硬件方面进行分析和探讨的，实际影响RTC时钟准确性的因素还有很多，软件方面如RTC操作方法、I2C软件模拟时序、数据校验方式等，生产工艺方面有晶振焊接温度和时间、超声波清洗、PCB加涂“三防漆”等，应急措施方面如通过MCU自身定时器建立备份时钟，定时和RTC同步，一般情况下以RTC时钟为准，异常时，用备份时钟恢复RTC时钟，或者采用擦写次数较多的FRAM定时存储RTC时钟，发生异常时，用存储时钟恢复RTC时钟等。
参考文献
[1]王幸之、王雷等.单片机应用系统电磁干扰与抗干扰技术.北京航空航天大学出版社.2006
[2]ST AN2867.Oscillator design guide for ST microcontrollers. STMicroelectronics 2010
[3]侯喆、何凯.由于IIC总线锁死引起的保护装置异常的问题分析.电力系统保护与控制 2010/4
[4]I2C总线技术规范.广州周立功单片机发展有限公司
[5]EPSON RX-8025T器件手册.ESPON TOYOCOM
[6]Seiko Epson Miniature Cylindrical Quartz Crystals Datasheet. Seiko Epson
[7]MAXIM DS3231 Datasheet. Maxim